Читать книгу Общая и Неорганическая химия с примерами решения задач - Михаил Иванович Бармин - Страница 1

Михаил Иванович Бармин

ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ С ПРЕМЕРАМИ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Введение

Настоящее учебное пособие предназначено для абитуриентов, сдающих ЕГЭ в 2017 и последующих годах. В связи с обновлением большинства учебных пособий и учебников по общей и неорганической химии выпуск учебного пособия такого типа актуален. Данное пособие отличается от аналогичных изданий, например тем, что в конце его приводится как бы краткая аннотация лекций, что помогает, с одной стороны, запоминанию, с другой – помогает понять историю возникновения понятий и законов и внутри предметной связи. В этой книге есть решения типовых задач (тесты 27-29), что несомненно повысит качество преподавания. Суперполезно для студентов России, Белоруссии, Украины и всех знающих русский язык, более того полезно для студентов всех форм и типов образования не химических вузов. Будем рады предложениям и замечаниям.

Доцент, канд. хим. наук      М.И.Бармин

тел.: 588–73–45; e–

mihail-barmin2010@ya.ru

СТУДЕНТЫ И АБИТУРИЕНТЫ – НА ДИЕТУ!

Научно доказано: концентрация внимания, находчивость и даже творческие озарения – отнюдь не случайность. Все это вполне достижимо с помощью …еды.

Хотя мозг человека и составляет всего 2–3 процента от общей массы тела, но он очень любит «поесть». Представьте себе, что 20 процентов калорий, потребляемых вами в день «съедает» именно этот обжора. Соответственно рацион, можно сказать, определяет и умственные способности. Одни продукты стимулируют работоспособность, другие – быстроту мышления, третьи – концентрацию.

Лучшему запоминанию способствует морковь (она участвует в процессе обновления клеток мозга). Перед тем как что–либо учить, съешьте тарелочку тертой моркови с растительным маслом.

Любимый фрукт театральных звезд – ананас. Чтобы помнить наизусть огромные монологи, необходим витамин С, которого в нем много, а вот калорий очень мало. Стакан ананасового сока в день – вещь незаменимая. Хорош для улучшения памяти и авокадо. Достаточно половины в день.

Аромат острого перца стимулирует выделение «гормона счастья» – эндорфина. И чем острее перец, тем вы счастливее. Ягода менеджера – клубника, содержащийся в ней пектин снимает стресс. Секрет популярности бананов, возможно, в серотонине – это как раз то, чего не хватает мозгу для полного счастья. Ну и, конечно, витамины и кальций.

От нервозности вас избавит капуста: ешьте ее перед экзаменами и будьте спокойны. Ничто так не освежит вас и ваши знания, как лимон. Перед занятиями иностранным языком выпейте стакан лимонного сока. Черника – идеальный перекус между долгими и нудными занятиями. Она улучшает кровоснабжение мозга. Лучше всего – свежие ягоды, но их можно заменить и соком (не осветленным).

От перенапряжения и психической усталости лучшее средство – лук. Не меньше половины луковицы в день – и никакой усталости! Орехи – старое, испытанное средство в тех случаях, когда требуется выносливость (доклады, конференции, концерты, долгое время за рулем).

Имбирь очистит голову для новых идей. Кровь разжижается, течет быстрее и свободнее. Не заменим для журналистов, людей

творческих профессий. Чайная ложка свежего имбиря перед ответственным мероприятием – милое дело. Тмин – отец гениальных идей и молниеносных озарений. Его масла стимулируют всю нервную систему, что способствует творческому мышлению.

Если вы ждете от себя новых идей, выпейте чашечку тминного чая. Рецепт: 2 чайных должки молотых зерен тмина на чашку.

Для питания клеток мозга просто незаменима морская рыба. На смену знаменитому рыбьему жиру пришли менее противные на вкус капсулы. Их можно купить в аптеке, а глотать рекомендуется в стрессовых ситуациях или перед экзаменами.

Но сахара для повышения трудоспособности не ешьте: это не поможет. Для нормального функционирования нашему мозгу нужно очень много глюкозы. Чистый сахар быстро попадает в кровь и проясняет голову. Но в ответ на это организм выбрасывает инсулин – так называемый «пожиратель сахара», после чего «чудесная сила» сахара резко ослабевает, и через десять минут вы уже снова чувствуете себя усталым и разбитым. Намного лучше вместо чистого сахара есть продукты в которых он находится в сложных соединениях: хлеб грубого помола, орехи, рис, мюсли или сухофрукты. Они дольше расщепляются – вы вновь почувствуете себя бодрым.

По материалам прессы

Слова химии. Генетическая связь

КЛАСС НЕОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Нетрадиционно представлена эта глава, т.к. десятилетия педагогической практики показывают, что химическая грамотность абитуриентов и студентов падает.

1.КЛАСИФИКАЦИЯ И НОМЕНКЛАТУРА ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ

Все химические соединения подразделяются на классы. Существуют также определенные правила их наименования.

Вещества подразделяются на простые и сложные. Простые вещества состоят из атомов одного элемента. Сложные вещества состоят из двух или нескольких атомов разных элементов.

Простые вещества делятся на металлы и неметаллы. Металлы отличаются характерным металлическим блеском, ковкостью, тягучестью, могут прокатываться в листы и проволоку, обладают очень хорошей тепло– и электропроводностью. При обычной температуре все металлы, кроме ртути, являются твердыми веществами (Na, Mg, Al, Mn, Ti). В химических реакциях металлы в нулевой степени окисления проявляют только восстановительные свойства.

Неметаллы не обладают металлическим блеском, хрупки, очень плохо проводят теплоту и электричество. При обычных условиях они являются или твердыми веществами (S, P, C), или газообразными (F₂ Cl₂, O₂, H₂), Br₂ – жидкость. В химических реакциях неметаллы могут проявлять как окислительные, так и восстановительные свойства (исключение составляет F₂, фтор является только окислителем в реакциях с другими веществами).

Сложные вещества делятся на классы:

во-первых, по составу (бинарные, т.е. двухэлементные; многоэлементные; кислородосодержащие; азотосодержащие и т.д.);

во-вторых, по свойствам или функциям ( по кислотно-основным, окислительно-восстановительным).

К важнейшим бинарным соединениям относятся:

оксиды – соединения элемента с кислородом;

галогениды – соединения элемента с галогеном;

нитриды – соединения элемента с азотом;

карбиды – соединения элемента с углеродом;

сульфиды – соединения элемента с серой;

гидриды – соединения металла с водородом (соединения неметаллов с водородом не рассматривают как гидриды, их относят к классу бескислородных кислот).

в результате реакций обмена

Na₂CO₃ + SiO₂ = Na₂SiO₃ + CO₂↑

К классу гидроксидов относятся соединения, содержащие одну или несколько гидроксильных групп – ОН.

Гидроксиды в свою очередь делятся на основания, кислоты (кислородосодержащие, бескислородные) и амфотерные основания. Принадлежность гидроксида к основаниям или кислотам определяется прочностью связи между элементом и кислородом и кислородом и водородом.

Если в гидроксидах связь О – Н более полярная, чем связь О – Э, то при попадании в полярный растворитель эта связь будет еще больше поляризоваться и перейдет в ионную. При диссоциации образуется катион водорода и анион так называемого кислотного остатка. Такой гидроксид относят к классу кислот:

HNO₃ = H⁺ + NO₃^-      ,

Н⁺ протон, ион водорода, катион (положительно заряженный ион).

NO₃^- – нитрат ион, анион, кислотный остаток азотной кислоты.

Если же оказывается более полярной связь между элементом и кислородом, то в полярном растворителе при поляризации связи электронная плотность смещается в сторону кислорода и образуется гидроксильный анион (гидроксид ион) и катион элемента:

Согласно теории электролитической диссоциации к основаниям относятся электролиты, при распаде которых на ионы в качестве анионов образуются только гидроксид ионы.

KOH K⁺ + OH^-

С этой точки зрения, к основаниям относят гидроксиды металлов и гидроксид аммония (NH₄OH). Название таких оснований состоит из слова гидроксид и русского названия металла в родительном падеже (на пример гидроксид натрия NaOH). Если металл образует несколько оснований, то после названия указывается степень окисления металла в скобках римскими цифрами (на пример Fe(OH)₂, Fe(OH)₃: гидроксид железа II и III соответственно. Кроме того существует и традиционные названия, так гидроксид натрия NaOH называют едкий натр, каустическая сода; KOH называют едкий кали, Ca(OH)₂ – гашеная известь.

Основания бывают растворимые в воде, малорастворимые и практически нерастворимые. Растворимые в воде основания называют щелочами.

По числу гидроксогрупп определяют кислотность основания. Так NaOH, KOH однокислотные основания; Ca(OH)₂, Fe(OH)₂ – двухкислотные; Fe(OH)₃, Al(OH)₃ – трехкислотные.

Основания двух– и более кислотные диссоциируют ступенчато:

1 ступень Ca(OH)₂ CaOH¹⁺ + OH^1-

2 ступень CaOH¹⁺ Ca²⁺ + OH^1-

Получение оснований

Растворимые основания можно получить при взаимодействии щелочного (IА подгруппа) или щелочно-земельного (IIА подгруппа) металла с водой или оксида металла с водой:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

Na₂O + H₂O = 2NaOH

Ca+2H₂O=Ca(OH)₂+H₂

2) Малорастворимые основания получаются при взаимодействии соли соответствующего катиона с растворимым основанием:

FeSO₄ + 2NaOH = Fe(OH)₂ + Na₂SO₄

Свойства оснований

Неорганические основания являются твердыми веществами, за исключением гидроксида аммония. Растворы оснований мыльные на ощупь, изменяют окраску индикатора фенолфталеина в малиновый цвет, а лакмуса – в синий.

Гидроксиды калия и натрия устойчивы к нагреванию. Большинство оснований разлагаются при нагревании на воду и соответствующий оксид

2.ОСНОВАНИЯ, КИСЛОТЫ, СОЛИ.

2.1Основания

По теории электролитической диссоциации к основаниям относятся электролиты, при электролитической диссоциации которых в качестве анионов образуются только гидроксид-ионы.

Кислотные оксиды взаимодействуют с основными оксидами и гидроксидами. В результате этого взаимодействия образуются соли:

SO₃ + CaO = CaSO₄

SO₃ + Ca(OH)₂ = CaSO₄ + H₂O

К амфотерным относят оксиды, которые могут проявлять свойства как основных оксидов, так и кислотных. То есть амфотерный оксид может взаимодействовать как с кислотой, так и с основанием. Амфотерные оксиды образуются некоторыми металлами в степени окисления +2 (BeO, ZnO, SnO, PbO) и почти всеми металлами в степени окисления +3 (Al₂O₃, Cr₂O₃).

ZnO + 2HCl = ZnCl₂ + H₂O

ZnO + 2NaOH = Na₂ZnO₂ + H₂O

цинкат натрия

Амфотерным оксидам соответствуют амфотерные гидроксиды.

Если металл может иметь несколько степеней окисления, то с повышением степени окисления основные свойства его оксидов будут убывать, а кислотные усиливаться. Так MnO основной оксид, MnO₂ амфотерный, а Mn₂O₇ кислотный.

Оксиды могут быть получены разными способами:

окисление простых веществ

4P + 5O₂ = 2P₂O₅

2Mg + O₂ = 2MgO

Cu + 4HNO₃ = Cu(NO₃)₂ + 2NO₂ + 2H₂O

конц.

C + 4HNO₃ = CO₂ + 4NO₂ + 2H₂O

конц.

окисление сложных веществ

CH₄ + 2O₂ = CO₂ + 2H₂O

разложение сложных веществ

CaCO3 = CaO + CO₂

2Cu(NO₃)₂ = 2CuO + 4NO₂ + O₂

Cu(OH)₂ = CuO + H₂O

2Fe(OH)₃ = Fe₂O₃ + 3H₂O

Все общие химические свойства оснований обусловлены наличием в них гидроксогрупп ОН^-:

основания взаимодействуют с кислотами (реакция нейтрализации):

KOH + HCl = KCl + H₂O

K⁺ + OH^- + H⁺ + Cl^- = K⁺ + Cl^- + H₂O

OH^- + H^- = H₂O

основания реагируют с кислотными оксидами с образоваием соли и воды:

2NaOH + CO₂ = Na₂CO₃ + H₂O

2Na + 2OH– + CO₂ = 2Na+ + CO₃^2- + H₂O

2OH^- + CO₂ = CO₃^2- + H₂O

растворимые основания реагируют с амфотерными оксидами и гидроксидами:

2NaOH + Al₂O₃ + 7H₂O =Na[Al(OH)₄(H₂O)]

NaOH + Al(OH)3 + 2H2O = Na[Al(OH)4(H2O)2]

растворимые основания реагирует с растворимыми солями с образованием нерастворимых оснований.

2KOH + CuSO₄ = Cu(OH)2 + K₂SO₄

2K⁺ + 2OH^- + Cu²⁺ + SO₄^2- = Cu(OH)₂ + 2K+ + SO₄^2-

2OH^- + Cu²⁺ = Cu(OH)₂

или

KOH + NH₄Cl = KCl + NH₄OH

K⁺ + OH^- + NH₄⁺ + Cl^- = K⁺ + Cl^- + NH₄OH

OH^– + NH₄⁺ = NH₄OH.

кислоты взаимодействуют с солями, если в результате реакции образуется или слабый электролит, или малорастворимое твердое, или газообразное вещество:

а) Na₂CO₃ + 2HCl = 2NaCl + H₂CO₃ H₂O

2Na⁺ + CO₃^2- + 2H⁺ + 2Cl^- = 2Na⁺ + 2Cl + H₂CO₃

CO₃^2- + 2H⁺ = H₂CO₃ CO₂

б) AgNO₃ + HCl = AgCl + HNO₃

Ag⁺ + NO₃^- + H⁺ + Cl^- = AgCl + H⁺ + NO₃^-

Ag⁺ + Cl^- = AgCl

Кроме того, существуют неорганические кислоты – сильные окислители: HNO₃, H₂SO₄ (концентрированная). Эти кислоты обладают особыми свойствами, которые определяются не катионами водорода, а высокой степенью окисления атомов элемента, образующего кислоту. Эти кислоты могут реагировать и с металлами, стоящими в ряду активности после водорода (кроме золота и платины) и с неметаллами. Подробно свойства этих кислот рассматриваются во II части учебника.

H₂S – сероводородная кислота.

Название кислородсодержащей кислоты зависит от степени окисления элемента, образующего кислоту. Если элемент образует кислоту в своей максимальной степени окисления, то к названию элемента добавляют окончание -ная или –вая и слово кислота:

H₂SiO₃ – кремниевая кислота,

H₂SO₄ – серная кислота.

Если элемент образует две кислоты, находясь в 2-х степенях окисления, то для кислоты с максимальной степенью окисления элемента в названии будет окончание –вая или –ная; а для минимальной степени окисления окончание –истая:

HNO₃ – азотная кислота, HNO₂ – азотистая кислота;

H₂SO₄ – серная кислота, H₂SO₃ – сернистая кислота.

Если же элемент образует более, чем две кислоты, находясь в разных степенях окисления, то по мере понижения степени окисления элемента, образующего кислоту суфиксы и окончания будут меняться в следующем порядке:

–вая, -ная

–новатая

–истая

–новатистая.

HClO₄ – хлорная кислота,

HClO₃ – хлорноватая кислота,

HClO₂ – хлористая кислота,

HClO – хлорноватистая кислота.

Некоторые элементы, находясь в одной и той же степени окисления, могут образовывать кислоты, различающиеся на группу (H₂O). В таком случае кислота с меньшим числом атомов кислорода и водорода называется мета-, а с большим орто– кислотой:

H₃PO₄ – ортофосфорная кислота,

HPO₃ – метафосфорная кислота,

Кроме этого, используют и традиционные названия:

HCl – соляная кислота, HF – плавиковая кислота.

По числу катионов водорода определяют основность кислоты: HNO₃ – одноосновная кислота, H₂SO₄ – двухосновная кислота, H₃PO₄ – трехосновная кислота. Двух– и более основные кислоты диссоциируют в водных растворах ступенчато.

Сила кислоты определяется как способность кислоты к электролитической диссоциации.

В периодической системе в периоде слева направо кислотные свойства гидроксидов элементов усиливаются.

      Если один и тот же элемент образует несколько кислот, то с уменьшением степени окисления элемента уменьшается сила кислоты, то есть способность отдавать протон. Все это объясняется электронным строением молекулы и взаимным влиянием атомов в молекуле. Чем больше полярность связи Н – О, тем легче происходит электролитическая диссоциация по типу кислоты. А эта связь тем полярнее, чем меньше разница электроотрицательностей кислорода и элемента, образующего кислоту. В случае, когда один и тот же элемент образует кислоты, находясь в разных степенях окисления, сильнее будет кислота, образованная элементом в большей степени окисления.

Zn + 2HCl = ZnCl₂ + H₂

Zn + 2H⁺ + 2Cl^- = Zn²⁺ + 2Cl^- + H₂

Zn + 2H⁺ = Zn²⁺ + H₂

В качестве примера взаимодействия металлов с растворами кислот не следует брать такие активные металлы, как калий или натрий, так как эти металлы очень активны и будут реагировать с молекулами воды:

2Na + 2H₂O = 2NaOH + H₂

2Na + 2H₂O = 2Na⁺ + 2OH^- + H₂

и далее OH^– + H⁺ = H₂O

кислоты взаимодействуют с основными оксидами:

2HCl + CaO = CaCl₂ + H₂O

2H⁺ + Cl^- + CaO = Ca²⁺ + 2Cl^- + H₂O

2H⁺ + CaO = Ca²⁺ + H₂O

кислоты взаимодействуют с основаниями:

2HCl + Ca(OH)₂ = CaCl₂ + 2H₂O

2H⁺ + 2Cl^- + Ca²⁺ + 2OH^- = Ca²⁺ + 2Cl^- + 2H₂O

H⁺ + OH^- = H₂O

кислоты взаимодействуют с амфотерными оксидами:

6HCl + Al₂O₃ = 2AlCl₃ + 3H₂O

6H⁺ + 6Cl^- + Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 6Cl^- + 3H₂O

6H⁺ + Al₂O₃ = 2Al³⁺ + 3H₂O

кислоты взаимодействуют с амфотерными гидроксидами:

3HCl + Al(OH)₃ = AlCl₃ + 3H₂O

3H⁺ + 3Cl^- + Al(OH)₃ = Al3⁺ +3Cl^- + 3H₂O

3H⁺ + Al(OH)₃ = Al³⁺ + 3H₂O

Свойства солей

Свойства солей уже определены в указанных выше реакциях 7-11.

Кроме этого, следует помнить о таком важном свойстве, как способность солей гидролизоваться. Именно благодаря этому свойству, растворы многих солей имеют кислую или щелочную среду. На первых ступенях гидролиза образуются кислые или основные соли.

Задачи и решения к теме «Классификация неорганических соединений»

1.Какие окисидиы могут взаимодействовать с водой:

а) Al₂O₃, б) N₂O₅, в) CO, г) CO₂, д) Na₂O ?

2.С какими веществами может взаимодействовать гидроксид Na:

а) BaO, б) Ca(OH)₂, в) SiO₂, г) P₂O₅, д) H₂SiO₃ ?

3.Какие из перечисленных соединений можно использовать, чтобы осуществить переход KHCO₃ K₂CO₃ :

а) NaOH, б) HNO₃, в) H₂O, г) CaO, д) Ca(OH)₂ ?

4.Какие вещества и в какой последовательности могут быть использованы для осуществления превращений Cu CuO Cu(NO₃)₂ Cu(OH)₂ :

а) HNO₃, б) O₂, в) KOH, г) KNO₃, д) H₂O ?

5.Напишите структурную формулу дигидрофосфата калия.

6.Напишите структурную формулу сульфита гидроксоцинка.

Решение

1.С водой взаимодействуют N₂O₅, CO и Na₂O.

Ответ: 2, 4, 5.

2.NaOH может взаимодействовать со следующими веществами:

SiO₂, P₂O₅ и H₂SiO₃.

Ответ: 3, 4, 5

Выбрать из приведенных кислот ортоугольную

H4C2O2

H2CO2

H2CO3

H4CO4

H2C2O4

Выбрать из преведенных соединений нитрит калия

K3N

KNO2

KN3

KNO3

K3NO4

Как назвать соединение (CuOH)₂SO₄

Кислая сернокислая медь

Сернокислая медь

Сернистокислая медь

Гидросульфат меди

Сульфат гидроксомеди

Часть I. Общая химия

Девиз: «ХИМИЯ И ЖИЗНЬ»

ЛЕКЦИЯ 1.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ХИМИИ

План лекции:

Введение (предмет химии, краткая история).

Роль химии.

Вещество – объект изучения.

Основные понятия.

Основные законы.

Химия – одна из фундаментальных естественных наук, знание которой необходимо для плодотворной творческой современного инженера любой специальности. Качество х-мических знаний приобретает особо важное значение в связи с необходимостью уменьшения энергозатрат, использования новых материалов и повышения надежности современной техники. Понимание химических законов помогает инженеру в решении экологических проблем. Изучение химии является частью задачи по формированию мировоззрения инженера и Человека.

Основной закон природы – закон вечности материи и ее движения. Химия изучает материальный мир и химическую форму движения материи.

Что же есть материя?

«Материя – есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них». (В. И. Ленин).

Материя первична, а сознание вторично. Движение – основная форма существования материи. Условно различают следующие формы движения материи:

– механическая

– физическая

– химическая

– биологическая

– социальная Пример взаимодействия всех форм:

Один человек толкает другого, а у того из-под ноги срывается и падает вниз камень, состоящий из атомов Ca, C, O которые находятся в минерале кальците (CaCO₃).

Более высокую по своей организации форму нельзя свести к более низкой, например физическую к химической.

Известны две формы существования материи: вещество и поле. Вещество – материальное образование, состоящее из материальных частиц, имеющих собственную массу. Поле – материальная среда, в которой осуществляется взаимодействие частиц.

Химия изучает первую форму существования материи – вещество. Химия – наука о превращении веществ. Изучает состав

строение веществ, зависимость свойств веществ от их состава

строения и пути превращения одних веществ в другие. Явления, при которых из одних веществ образуются другие,

называются химическими.

В развитии химии можно условно выделить следующие периоды:

I. Донаучная химия

Практическая и ремесленная химия

Алхимия. Открыто много новых веществ (в поисках «философского» камня) и методов очистки.

II. XVI век

Иатрохимия (врачебная химия) Парацельс, Агрикола

Теория «Флогистона» 1700 г. (Шталь) – особого вещества, удаляющегося при горении из соединений.

Аналитическая и пневматическая химия. Р.Бойль (XYII в.). – Химическая атомистика – (Бойль, Блэк, Пристли, Лавуазье).

III. Химическая революция 1748 г. – начало химии как науки.

Атомно-молекулярное учение М.В. Ломоносова.

Периодический закон и периодическая система элементов (1896 г.) Д.И. Менделеев.

Появление органической физической химии.

Развитие химии обусловлено тремя факторами:

а) социально-экономические условия развития общества; б) внутренние потребности самой науки; в) ученые – творцы науки, как сила, приводящая в движе

ние социальные законы развития общества.

Первыми металлами, на которые человек обратил внимание, были самородные медь и золото. Красноватую медь и желтоватое золото, отливающие красивым металлическим блеском, нельзя было не заметить среди тусклой серовато-коричневой породы.

Ударяя по кусочку металла, можно придать ему нужную форму. Это свойство металлов (ковкость) было обнаружено, безусловно, совершенно случайно. Человек начала изготавливать из металлических самородков различные украшения, стараясь подчеркнуть красоту металла.

Со временем выяснилось, что медь можно получить из камней определенного вида и что найти такие камни значительно проще, чем чистую самородную медь.

Можно представить, как это произошло. Загорелся лес, рос-ший на почве, в которой содержались какие-то голубоватые камню. Пришедшие на пепелище люди нашли в золе сверкающие шарики меди, и кто-то первый догадался, что, нагревая эти голубоватые камни на костре, можно получить медь.

Возможность получения меди окончательно установлена, по видимому, около 4000 г. до н.э., и скорее всего это случилось на Синайском полуострове или в горных областях Шумера территория современного Ирака.

А к 3000 г. до н.э. начали выплавлять значительно твердый металл, чем медь – бронзу – сплав меди и олова.

Получить железо из рудного камня, как получали медь, казалось невозможным, для этого необходимо более «жаркое пламя». Секрет плавки железа был открыт примерно в 1500 г. до н.э. в Малой Азии. Как было установлено, столь необходимое «жаркое пламя» может дать древесный уголь, если через горящий уголь продувать воздух.

Чистое железо не очень твердое. Однако в процессе плавки железо может вобрать в себя столько углерода из древесного угля, что в результате образуется поверхностный слой сплава желез и углерода, называемого сталью.

Расцвету древнегреческой философии предшествовали определенные успехи, достигнутые в прикладной химии. Египетские мастера занимались производством металлов, красителей, они научились бальзамированию.

Слово (XXX) произошло от греческого χυμος – сок растения, так что khemeia – это «искусство выделения соков». Сок, окотором идет речь, может быть и расплавленным металлом, так что может означать и «искусство металлургии».

В 600 г. до н.э. греческих ученых не интересовали способы получения тех или иных веществ и методы их практического использования. Их интересовала главным образом суть веществ и процессов. Они искали ответ на вопрос «почему»? Другими словами, древние греки первыми занялись тем, что сегодня называется химической теорией.

Эта теория начинается с Фалеса (640-546 гг. до н.э.). Фалес вероятно, задавал себе следующий вопрос. Если одно вещество может перейти в другое, как голубоватый камень (лазурит) переходит в красную медь, то какова же истинная природа вещества? Что представляет собой это вещество – камень или медь, или ни то и ни другое? Любое ли вещество переходит в другое вещество (хотя бы постепенно), и если любое, то не являются ли все вещества разными вариантами одного и того же основного вещества?

Оставалось решить, что же представляет собой это основное вещество, или элемент. Фалес решил, что этим элементом должна быть вода. Поскольку часть пространства между землей и небом, по наблюдениям человека, заполнена воздухом, то вполне можно было предположить, что воздух находится везде.

Размышления такого рода привели древнегреческого философа Анаксимена из Милета (585-525 г. до н.э.) к выводу, что поиск элемента необходимо связывать с поиском субстанции, для которой изменение наиболее характерно. Такой субстанцией Гераклиту, представлялся огонь – вечно меняющийся и все изменяющий.

Эмпедокл (490-430 г. до н.э.) подумал, почему не могут существовать четыре начала – огонь Гераклита, воздух Анаксимена, вода Фалеса и земля, которую в число начал ввел сам Эмпедокл?

Аристотель (384-322 гг. до н.э.) считал четыре элемента стихии не материальными субстанциями, а лишь носителями определенных качеств – теплоты, холода, сухости и влажности. Аристотель сделал еще один важный шаг. Каждый элемент он охарактеризовал определенным природным набором свойств. Так, огню присуще подниматься, а земле падать. Но свойства небесных тел отличались от свойств любого вещества темного

происхождения. Аристотель доказывал, что небеса состоят из «пятого элемента», который она называл эфир (от слова означающего «сиять», ибо характерное свойство небесных тел – сияние).

Другим важным вопросом, з-нимавшим греческих философов, был вопрос о делимости материи.

Камень, расколотый пополам или (XXX) в порядок, оставался тем же камнем, каждую крупинку которого можно было разделить на еще меньшие частички. До какого

предела можно проводить такое деление и существует ли вообще такой предел?

Левкипп (ок. 500-440 гг. до н.э.) первым задался вопросом, можно ли каждую часть материи, как бы мала она ни была, разделить на еще более мелкие части. Левкипп считал, что в итоге такого деления можно получить настолько малую частицу, что дальнейшее деление станет невозможным.

Демокрит (ок. 470-360 гг. до н.э.) развил эту мысль своего учителя. Он называл эти крошечные частички ατομος – «неделимые», и введенный им термин унаследовали и мы. Учение о том, что материя состоит из мельчайших частиц и что деление материи возможно лишь до известного предела, получило называние атомистики, или атомистической теории. Демокриту казалось, что атомы каждого элемента имеют особые размеры

форму, и что именно этим объясняются различия в свойствах элементов. Реальные вещества, которые мы видим и ощущаем, представляют собой соединения атомов различных элементов

изменив природу этого соединения, можно одно вещество превратить в другое.

Атомистическая теория оставалась не популярной в течение двух тысячелетий после Демокрита, о ней почти никто не вспоминал.

все-таки атомистическая концепция полностью не исчезла. Древнегреческий философ Эпикур (ок. 342-270 гг. до н.э.) использовал атомизм в своем учении. Одним из его приверженцев был древнеримский поэт Тит Лукреций Кар (ок. 95-55 гг. до н.э.). Он изложил атомистические взгляды Демокрита и Эпикура в поэме «О природе вещей».

Поэма Лукреция сохранились полностью и донесла атомистическое учение до тех дней, когда в борьбу вступили новые научные методы, которые и привели атомизм к окончательной победе.

Первым значительным представителем Греко-египетско-го khemeia, имя которого дошло до нас, был Бол из Менде (ок. 200 г. до н.э.), города в дельте Нила. В своих работах Болос использовал имя демокрита, и поэтому его называют «Болос-Де-мокрит», или иногда «Псело-Демокрит». Болос посвятил себя одной из важнейших задач khemeia – превращению одного металла в другой, и в частности превращению свинца или железа в золото (XXX).

Болос в своих работах приводил подробные описания методов получения золота, но это не было мошенничеством. Можно, например, сплавить медь с металлическим цинком и получить латунь – сплав желтого цвета, т.е. цвета золота. Для древних исследователей изготовление металла цвета золота и означало изготовление самого золота.

Приблизительно в 300 г. н.э. египтянин Зосиа написал энциклопедию – 28 книг, которые охватывали все знания по khemeia, собранные за предыдущие пять или шесть веков. Цен-ность этой энциклопедии не слишком велика. В ней можно найти любопытные сведения, в частности, о мышьяке. Зосима описал методы получения ацетата свинца: он указал, что у этого ядовитого соединения сладковатый вкус (называние «свинцовый сахар» дошло до наших дней).

Арабские халифы начали покровительствовать наукам, и в VIII-IX вв, появились первые арабские химики. Арабы преобразовали словов khemeia в al-khemeia. Европейцы позднее заимствовали это слово у арабов, и в результате в европейских языках, появились термины «алхимия» и «алхимик». Термин «алхимик» сейчас употребляют, когда говорят о периоде истории химии, охватывающем около двух тысячелетий, начиная с

300 г. и до 1600 г.

В 670 г. корабли арабского флота, осаждающего Константинополь (самый большой и сильный город христианского мира), были сожжены «греческим огнем» – химической смесью, образующей при горении сильное пламя, которое нельзя погасить водой. По преданию, эту смесь изготовил занимающийся khemeia Каллиний, который бежал из своего родного Египта.

После 650 г. развитие Греко-египетской алхимии полностью контролировалось арабами, и так продолжалось в течение пяти веков. Следы этого периода сохранились в ряде химических терминов с арабскими корнями: ХХХ (перегонный куб), ХХХ

(щелочь), alcohol (спирт), carbay (ХХХ бутыль), ХХХ (ХХХ),

ХХХ (цирконий) и др.

Самым талантливым и прославленным арабским алхи-миком был Джабир ибн Хайн (721-815), ставший известным в Европе позднее под именем Гебер. Он жил во времена наивыс-шего расцвета арабской империи (при Гарун аль-Рашиде, про-славленном в «Тысяче и одной ночи»). Многочисленные труды Джабира написаны достаточно понятным языком. Он описал нашатырный спирт и показал, как приготовить свинцовые бе-лила. Он перегонял уксус, чтобы получить уксусную кислоту

– самую сильную из известных в то время кислот. Ему удалось получить слабый раствор азотной кислоты.

Джабир изучал возможность трансмутации металлов, и эти его исследования показали сильнейшее влияние на последующие поколения алхимиков. Джабир полагал, что ртуть является особым металлом, так как благодаря своей жидкой форме она содержит очень мало примесей. Столь же необычными свойс-твами обладает и сера: она способна воспламеняться (и к тому же она желтая, как и золото). Джабир считал, что все остальные семь металлов образуются из смеси ртути и серы, «созревающей» в недрах земли. Труднее всего образуется золото – наиболее совершенный металл. Поэтому, чтобы получить золото, необходимо найти вещество, ускоряющее «созревание» золота.

Арабский алхимик АрРази (865-925), ставший известным в Европе под именем Разес, занимался медициной и алхимией. Он завоевал почти такую же известность, как и Джабир, описал методику приготовления гипса и способа наложения гипсовой повязки для фиксации сломанной кости, изучил и описал металлическую сурьму. Джабир рассматривал серу как принцип горючести, ртуть как принцип металличности, АрРази доба-вил к этим двум принципам третий – принцип твердости, или соль. Летучая ртуть и воспламеняющаяся сера образовывали твердые вещества только в присутствии третьего компонента

– соли.

Самым знаменитым врачом был бухарец Ибн-Сина (ок. 980-1037), гораздо более известный под латинизированным именемАвиценна. Авиценна единственный их алхимиков не верил в возможность получения золота из других металлов.

В 1096 г. начался первый крестовый поход: христиане начали отвоевывать у мусульман захваченные ими земли. В 1099 г. христиане завоевали Иерусалим. Почти два столетия на побережье Сирии просуществовало христианское государство. Произошло некоторое смешение культур, и горсточка христиан, возвратившихся в Европу, познакомила европейцев с достижениями арабской науки.

Европейцы узнали, что арабы – обладатели книжных сокро-вищ: переведенных ими трудов греческих ученых, например Аристотеля, и сочинений своих ученых, например Авиценны.

Несмотря на сопротивление арабов, не желавших передавать столь ценные труды своему заклятому смертельному врагу, на-чались попытки перевода этих трудов на латинский язык. Это-му начинанию всячески способствовал французский ученый Герберт (ок. 940-1003), который в 999 г. стал папой Сильвестрой

II.

Первым видным европейским алхимиком был Альберт Больштедский (ок. 1193-1280), более известный как Альбер-тус Магнус (Альберт Великий). Он тщательно изучил работы Аристотеля, и именно благодаря ему философия Аристотеля приобрела особе значение для ученых позднего средневековья и начала Нового Вермени. Альберт Великий в описаниях своих алхимических опытов дает настолько точную характеристику мышьяку, что ему иногда приписывают открытие этого вещес-тва, хотя, по крайней мере в примесях, мышьяк был известен алхимикам и до него.

Современником Альберта Великого был английский уче-ный монах Роджер Бэкон (1214-1292), который известен сегодня прежде всего благодаря своему четко выраженному убеждению, что залогом прогресса науки являются экспериментальная ра-бота и приложение к ней математических методов. Бэкон попытался написать всеобщую энциклопедию знаний и в своих работах дал первое описание пороха.

Сочинения средневековых алхимиков – испанского врача Арнольда из Виллановы (ок. 1240-1311) и Раймунда Луллия (1235-1313), современников Бэкона, пронизаны мистическим духом алхимии (правда, сомнительно, что они в действительности были авторами этих работ). Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным: он подписывал свои труды именем Джабира, арабского алхимика, жившего за шесть веков до него. Этот «Пссадо-Джабир) был, вероятно, ис-панцем и жил в XIV в. Псевдо-Джабир первым описал серную кислоту – одно из самых важных соединений сегодняшней хи-мии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется сильная азотная кислота. Серную и сильную азот-ную кислоты получили из минералов, в то время как все ранее известные кислоты, например, уксусную кислоту, получила из веществ растительного происхождения.

Открытие сильные минеральных кислот было самым важным достижением химии после успешного получения железа из руды примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многое новые реакции и смогли растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми (у греков и арабов самой сильной кислотой была уксусная).

Если бы золото перестало быть редким металлом, оно известно бы обесценивалось. Но, увы, такова человеческая природа

– открытие минеральных кислот не произвело впечатления, а поиски золота продолжались.

Шло время, и алхимия после многообещающего начала стала вырождаться в третий раз (первый раз у греков, второй – у арабов). Поиск золота стал делом многих мошенников, хотя и великие ученые даже в просвещенном XVII в. (например, Бойль и Ньютон) не смогли устоять от соблазна попытаться добиться успеха на этом поприще.

В этом же «веке открытий» немецкий изобретатель Иоганн Гуттенберг (ок. 1397-1468) изобрел первый печатный станок с подвижными литерами, собирая которые в текст можно было напечатать любую книгу. Впервые в истории стало возможным выпускать дешевые книги и в достаточном количестве. Одной из первых была напечатана поэма Лукреция, благодаря которой в Европе широко распространилось атомистическое учение. С изобретением книгопечатания непопулярные взгляды не исчезли только потому, что никто не хотел взять на себя труд по переписке таких книг.

Бауэр, более известный под именем Агриколы (что в пере-воде с латинского означает «крестьянин»), интересовался минералогией и ее возможной связью с медициной. В своей книге

«О металлургии» (De Re Metallica»), изданной в 1556 г., Агрикола систематизировал практические знания, почерпнутые им у современных ему рудокопов.

Эта книга, написанная понятным языком, с прекрасными иллюстрациями шахтных устройств сразу же стала популярной

считается классической работой и в наше время. Это самая значительная работа по химической технологии, появившаяся до 1700 г.; со времени ее издания минералогия была признана как наука.

Фон Гогенгейм вошел в историю под выбранным им самим именем Парацельс, т.е. «превосходящий Цельса». Цельс – древнеримский ученый, писавший о медицине. Его труды незадолго до того напечатанные, оказались (благодаря Парацельсу) предметом чрезмерного и необоснованного поклонения.

Парацельс, как и Авиценна, считал, что основная задача алхимии – не поиски путей получения золота, а изготовление лекарственных средств. До Парацельса в качестве таковых использовались преимущественно растительные препараты, но Парацельс сам не верил в эффективность лекарственных средств, приготовленных из минералов. Несмотря на свое негативное отношение к идее трансмутации, Парацельс был ал-химиком старой школы. Он принимал древнегреческое учение о четырех элементах-стихиях и учение арабов о трех элементах-принципах (ртуть, сера и соль), искал эликсир жизни (и даже утверждал, что нашел его). Парацельс был уверен, что он открыл металлический цинк.

Немецкий врач алхимик Андрей Либау (ок. 1540-1616), известный под латинизированным именем Либавна, опубликовал в 1597 г. «Алхимию» – первый в истории учебник химии.

Либавий первым описал приготовление соляной кислоты, тетрахлорила олова, сульфата аммония и «царской водки» (aqua regia) – смеси азотной и соляной кислот, получившей свое название из-за способности растворять золото. Либавий считал, что минеральные вещества можно опознать по форме крис-таллов, полученных после испарения раствора. Тем не менее он был уверен, что превращение металлов в золото возможно

открытие способа изготовления золота явится венцом химической науки, хотя и он соглашался с Парацельсом в том, что основная задача алхимии – служить медицине. В своем труде, написанным четким ясным языком, Либавий яростно атаковал

туманные теории, которые он называл «парацельсианскими». Наиболее видным представителем нового направления в химии был немецкий химик Иоганн Рудольф Глаубер (1604-1668). Врач по образованию, он занимался разработкой и совершенствованием методов получения соляной кислоты воздействием серной кислоты на поваренную соль. Тщательно изучив остаток, получаемый после отгонки кислот (сульфат натрия), Глаубер установил, что это вещество обладает сильным слабительным действием. Он называл это вещество «удивительной солью» (sal mirabile) и считая его панацеей, почти эликсиром жизни. Современники Глаубера называли эту соль глауберовой, и это название сохранилось до наших дней. Глаубер занялся изготовлением этой соли и ряда других, по его мнению цен-

ных лекарственных средств и достиг на этом поприще успеха.

XVII в. значение алхимии неуклонно уменьшалось, а в XVIII в. она постепенно стала тем, что мы сегодня называем химией.

Химическая наука в определенном отношении все-таки отставала от других областей знания. Значение количественных изменений и необходимость математической обработки данных были уяснены еще в древние времена.

Итальянский ученый Галилео Галилей (1561-1642), изучавший в 90-х годах XVI в. падение тел, первым показал необходимость тщательных изменений и математической обработки данных физического эксперимента. Результаты его работ почти столетие спустя привели в важным выводам английского уче-ного Исаака Ньютона (1642-1727).

химии переход от простого качественного описания к тща-тельному количественному измерению был осуществлен лишь столетие спустя, после открытий Ньютона. Ньютон оставался приверженцем алхимии и страстно искал рецепт превращения металла в золото.

Количественные методы Галилея и Ньютона очень трудно приложить к химии. Ведь для этого необходимо результаты хи-мических опытов представить таким образом, чтобы из можно было подвергнуть математической обработке. В своей работе фламандский врач Ян Баптист Ван Гельмонт (1579-1644) выра-щивал дерево в заранее отмеренном количестве почвы, куда сис-тематически добавлял воду, в систематически тщательно взвешивал дерево, применял измерение и в химии, и в биологии.

Ван Гельмон первым их химиков обратил внимание на пары, образующиеся в процессе некоторых реакций, и начал их изучать. В частности, он нашел, что на воздух похожи и пары, образующиеся при горении дерева, хотя ведут себя они несколько иначе. Ван Гельмон назвал эти пары «хаосом», но, согласно фламандскому фонетическому строю, это слово произносится как газ. Так называют воздухоподобные вещества и в наше время.

Газ, полученных при горении дерева и изученный им с осо-бой тщательностью, он называл «лесной газ» (gas sylvertre). Сегодня мы называем этот газ диоксидом углерода. При изучении газа как простейшей формы материи, впервые была использована техника точных изменений, т.е. количественного исследования явлений, которая и послужила столбовой дорогой в мир современной химии.

1643 г. итальянский физик Эванджелиста Торричелли (1608-1647) сумел доказать, что воздух оказывает давление. Торричелли доказал, что воздух может поддерживать столбик ртути выстой в 28 дюймов. Так был изобретен барометр. После этого открытия газы стали казаться менее загадочными. Как выяснилось, подобно жидкостям и твердым веществам, они имеют вес и от жидкостей и твердых веществ отличаются главным образом гораздо меньшей плотностью.

Немецкий физик Отто фон Герике (1602-1686) убедительно доказал, что атмосферный воздух имеет вес. Герике изобрел воздушный насос, при помощи которого воздух выкачивали из сосуда, так что давление воздуха снаружи сосуда становилось больше, чем внутри.

Ирландский химик Роберт Бойль (1627-1691) обнаружил, что объем данной массы воздуха обратно пропорционален давлению.

Французский химик Эдм Мариотт (1630-1684), независимо от Бойля открывший этот закон в 1676 г., особо подчеркивал, что такая зависимость объема от давления наблюдается только при постоянной температуре. По этой причине закон Бойля в континентальной Европе часто называют законом Мариотта.

отличие от твердых веществ и жидкостей воздух, как на-блюдали еще в древности, а Бойль в свое время наглядно дока-зал, легко сжимается. Объяснить это можно, только приняв, что воздух состоит из мельчайших атомов, разделенных пустым пространством. Сжатие воздуха пустого пространства между ними.

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.

Почему закон постоянства состава всегда должен быть справедлив? Почему какое-то соединение всегда должно содержать 4 части Х и 1 часть У, и почему оно не может содержать, напри-мер, 4,1 или 3,9 части Х и 1 часть У? Если допустить, что мате-рия является сплошной (а не дискретной), то понять это труд-но. Почему элементы не могут смешиваться в несколько иных пропорциях?

Если признать атомное строение материи, то из этого положения закон постоянства состава вытекает как естественное следствие. Более того, поскольку справедливость закона постоянства состава – неоспоримый факт, то, следовательно, атомы действительно являются неделимыми частицами.

Английский химик Джон Дальтон (1766-1814) первооткрыватель закона кратных отношений и создатель основ атомной теории. Он обнаружил, что два элемента могут соединяться друг с другом в различных соотношениях, но при этом каждая новая комбинация элементов представляет собой новое соединение.

В 1803 г. Дальтон обобщил результаты своих наблюдений и сформулировал важнейший закон химии – закон кратных отношений.

Если монооксид углерода образуется в результате сочетания одного атома углерода с одним атомом кислорода, то в этом соединении соотношение весовых частей углерода и кислорода должно быть равно 3:4. В диоксиде же углерода, состоящем из одного атома углерода и двух атомов кислорода, оно должно быть 3:8.

Поскольку было найдено, что элементы соединяются в кратных отношениях, следовательно, соединения различаются по составу на целые атомы. Разумеется, предполагаемые различия в составе и закон кратных отношений справедливы лишь при условии, что материя действительно состоит из крошечных неделимых атомов.

Выдвигая новую версию атомистической теории, опиравшуюся на законы постоянства состава и кратных отношений, Дальтон как дань уважения Демокриту сохранил термин «атом» и называл так считавшиеся в то время неделимыми мельчайшие частицы, составляющие материю.

В 1808 г. он опубликовал труд «Новая система химической философии», в которой изложил атомистическую теорию уже более подробно.

Атомистическая теория нанесла последний удар по бытовавшим еще представлениям о возможности взаимных переходов элементов-стихий. Стало очевидным, что различные металлы состоят из атомов различных видов, и, поскольку атомы считались в то время неделимыми и незаменяемыми, бесполезно было надеяться, что когда-нибудь удастся атом свинца превратить в атом золота.

Например, 1 часть (по весу) водорода соединяется с 8 частями кислорода, образуя воду. Если молекула воды состоит из одного атома водорода и одного атома кислорода, то, следовательно, атом кислорода в 8 раз тяжелее атома водорода. Если условно принять, как это и делал Дальтон, вес атома за 1, то вес атома кислорода при этом соответственно равен 8.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую табли-цу атомных весов. Атомный вес – это не вес как сила и вовсе не масса, а число, выражающее отношение главным образом масс атомных ядер. Процесс взвешивания, имевший место при определении атомных весов, был процессом сравнения масс. Эта таблица, хотя, вероятно, и была самой важной работой Дальтона, в ряде аспектов оказалась совершенно ошибочной. Основное заблуждение дальтона заключалось в следующем. Он был твердо убежден, что при образовании молекулы атомы одного элемента соединяются с атомами другого элемента попарно. Исключения из этого правила Дальтон допускал лишь в крайних случаях.

Тем временем накапливались данные, свидетельствующие о том, что подобное сочетание атомов «один к одному» отнюдь не является правилом. Противоречие проявилось, в частности, при изучении воды, причем еще до того, как дальтон сформулировал свою атомную теорию.

Бенджамин Франклин (1706-1790), великий американский ученый, выдающийся государственный деятель и дипломат, в сороковых годах XVIII в. выдвинул новую гипотезу. Он предположил, что существует единый электрический флюид и что вид электрического заряда зависит от содержания этого флюида.

Франклин считал, что стекло содержит электрического флюида больше нормы и поэтому несет положительный заряд.

В 1800 г. итальянский физик Алессандр Вольта (1745-1827) сделал важное открытие. Он установил следующее: два куска металла (разделенные растворами, способными проводить электрический заряд) можно расположить таким образом, что по соединяющей их проволоке пойдет «ток электрических зарядов», или электрический ток.

Два английских химика – Уильям Николсон (153-1815) и Энтони Карлайл (1768-1840) продемонстрировали наличие такой обратной зависимости. Пропустив электрический ток через воду, они обнаружили, что на электропроводящих полосках металла опущенных в воду, появляются пузырьки газа. Как выяснилось, на одной из полосок выделялся водород, на другой – кислород.

Они впервые провели электролиз воды. Выделявшиеся по мере разложения воды водород и кислород они собирали в отдельные сосуды. Последующие измерения показали, что объем водорода вдвое превышает объем кислорода. Объем выделившегося водорода вдвое превысил объем кислорода, поэтому вполне естественно было предположить, что каждая молекула воды содержит два атома водорода и один атом кислорода, а не по одному атому каждого элемента, как считал Дальтон.

Результаты исследований Николсона и Карлайла были подкреплены работой французского химика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778-1850), Гей-Люссак установил, что два объема водорода, соединяясь с одним объемов кислорода, образуют воду. Далее, он нашел, что когда газы образуют соединения, соотношение их объемов всегда представляет собой соотношение кратных чисел. В 1808 г. Гей-Люссак опубликовал сообщение об открытом им законе объемных отношений.

Используя этот закон, можно было также решить наконец, сколько атомов азота и водорода в аммиаке. После того, как было установлено, что в молекуле аммиака содержится один

атом азота и три (а не один) атом водорода, выяснилось, что атомная масса азота равна не примерно 5, а 14.

Первым, кто обратил внимание на необходимость предположения о том, что в газах равное число частиц занимает равнее объемы, был итальянский химик Амедео Авогадро (1776-1856). Поэтому предположение, выдвинутое им в 1811 г., получило название гипотезы Авогадро.

1818 г. французский химик Пьер Луи Дюлонг (1785-1838) и французский физик Алексис Терез Пти (1791-1820) определили атомный вес одного из таких элементов.

Атомный вес элемента (правда, только приблизительный) можно определить, измерив его теплоемкость. Этот метод ока-зался пригодным только для твердых элементов, да и то не для всех, и тем не менее это был шаг вперед.

Шведский химик Исис Якоб Берцелиус вслед за Далтоном внес особенно большой вклад в создание атомистической тиории. Примерно с 1807 г. Берцелиус вплотную занялся определением точного элементного состава различных соединений. Он представил столько доказательств, подтверждавших закон постоянства состава, что химики были вынуждены принять справедливость этого закона, а следовательно, и принять ато-мистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава.

Далее Берцелиус принялся за определение атомных весов более сложными и точными методами, которые были недоступны Дальтону. В этой свое работе Берцелиус использовал законы, открытые Дюлонгом и Пти, Митчерлихом и ГейЛюссаком (но подобно большинству своих современников, не воспользовался гипотезой Авгадро).

1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов. Приведенные в ней величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Эта таблица, опубликованная в издававшихся самим И.Берцелиусом «Годичных обзорах», вошла в историю химии как таблица 1826 г.

Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в большинстве не были целыми числами.

своих расчетах Дальтон исходил из того, что атомный вес водорода равен 1, и поэтому атомные веса всех элементов

в таблице Дальтона представляют собой целые числа. Изучив составленную Дальтоном таблицу атомных весов, английский химик Уильям Праут (1785-1850) пришел в 1815-1816 гг. к мне-нию, что все элементы в конечном счете состоят из водорода и что атомные веса различных элементов различаются по той причине, что они состоят из равного числа атомов водорода. Эта точка зрения известна как гипотеза Праута.

Однако, таблица Берцелиуса, казалось, разрушила это привлекательное предположение (привлекательное потому, что, по-добно античным ученым, Праут сводил все возраставшее число элементов к одному основному веществу и, таким образом, как будто бы придавал Вселенной упорядоченность и симметрию). Однако, если принять атомный вес водорода («основы»), рав-ным 1, то атомный вес кислорода составит приблизительно 15,9 веса водорода, но едва ли можно согласиться с тем, что кисло-род состоит из 15 плюс еще 9/10 атома водорода.

следующем столетии таблицы атомных весов постоянно уточнялись, и все более очевидными становились выводы Бер-целиуса, считавшего, что атомные веса различных элементов не являются целыми числами, кратными атомному весу водорода.

шестидесятых годах XIXв. Бельгийский химик Жан Сер-вио Стас (1813-1891) определил атомные веса точнее, чем Берцелиус. В начале ХХ в. американский химик Теодор Уильям Ричардс (1868-1928), приняв все меры предосторожности (во многом надуманные), определил величины атомных весов с такой точностью, которая только возможна при использовании чисто химических методов. Исследования Стаса и Ричардса ответили на те вопросы, которые в работах Берцелиуса оставались нерешенными.

В то время, когда Ричардс проводил свои поразительно точные определения атомных весов, вновь встал вопрос о том, что следует понимать под атомных весом. И на этом этапе развития химии гипотезе Праута, как мы увидим далее, суждено было возродиться.

Поскольку, как выяснилось, атомные веса различных элементов взаимосвязаны не столь простым образом, как это ранее предполагалось, необходимо было выявить стандарт, исходя из которого можно было бы определить атомные веса элементов. Естественным казалось принять за единицу атомного веса атомные вес водорода, как это сделали Берцелиус и

Дальтон. Но при этом атомный вес кислорода выражался неудобным нецелым числом 15,9, а ведь именно кислород обычно использовался для определения соотношений элементов в различных соединениях.

Атомный вес кислорода округлили и приняли равным 16.000 (вместо 15,9). Таким образом, в качестве стандарта был принят атомный вес кислорода, равный 16, атомный вес водорода при этом оказался равным 1.008. Атомный вес кислорода служил стандартом вплоть до середины XX в.

После того, как атомистическая теория была принята, стало возможным изображать вещества в виде молекул, содержащих постоянное число атомов различных элементов. Вполне естественным было попытаться изобразить такие молекулы в виде набора маленьких кружков, представляющих собой атомы: при этом атомы каждого вида можно было изобразить кружками определенного типа.

Простым кружком Дальтон изображал атом кислорода; кружком с точкой посредине – атом водорода; кружком с вертикальной линией – атом азота; закрашенным черным кружком – атом углерода и т.д. Серу он изображал в виде кружка с буквой S, фосфор – в виде кружка с буквой P и т.д.

Берцелиус решил, что кружки излишни, достаточно лишь начальных букв. Он предложил, чтобы каждому элементу соответствовал свой особый знак, который был бы одновременно и символом элемента, и символом одиночного атома этого элемента, и в качестве такого знака предложил использовать начальную букву латинского названия элемента. В тех случаях, когда называния двух или более элементов начинались с одних и тех же начальных букв, добавлялась вторая буква названия. Так появились химические символы.

С помощью химических символов легко показать количество атомов в молекуле. Химические формулы можно объединять в химические уравнения. Чтобы уравнять правую и левую части, перед формулами исходных веществ и продуктов реакции ставят коэффициенты.

За полтора века прошедшие с того времени, когда Бойль ввел понятие «элемент», было открыто поразительно много веществ, отвечающих этому определению. Очень часто эти элементы входили в состав оксидов. В принципе под воздействием какого-либо элемента, обладающего более сильным сродством

к кислороду, атом (или атомы) кислорода может покинуть первый элемент и присоединиться ко второму. Этот метод оказал-ся эффективным. Причем часто роль второго, отнимающего кислород элемента и выполнял углерод.

Известь по своим свойствам похожа на оксид. Однако ни один из известных тогда элементов, вступая в реакцию с кислородом, не образует известь. Следовательно, известь является оксидом неизвестного элемента. Пытаясь выделить этот неизвестный элемент, известь нагревали на коксе, но при этом ничего не происходило. Ни одно другое химическое вещество также не могло «заставить» известь отдать кислород.

Английский химик Гемфри Дэви (1778-1829) решил, что если вещество нельзя разложить химическим путем, то, возможно, это удастся осуществить под воздействием электрического тока: ведь таким способом удалость разложить даже молекулу воды. Дэви только разложил воду и получил водород и кислород. Необходимо было прежде удалить воду. Однако через твердые вещества ему даже не удалось пропустить ток. Наконец, Дэви догадался расплавить соединения и пропустить ток через расплав.

6 октября 1807 г. Дэви пропустил ток через расплавленный поташ (карбонат калия) и получил маленькие шарики металла, который он назвал потассием (от английского – potaslt). Этот металл, впоследствии названный калием, оказался очень активным. Неделю спустя Дэви выделил из соды (карбоната натрия) содий (от английского – soda), впоследствии названный натрием. По своей активности, как выяснилось, натрий лишь незначительно уступает калию.

В 1808 г., пользуясь модифицированным вариантом метода Берцелиуса, Дэви выделил магний из магнезии, стронций из оксида стронция, барий из оксида бария и кальций из извести («кальций» – от латинских называний извести – calx. calcis).

Дэви также показал, что зеленоватый газ, который открыв

ший его Шееле считал оксидом, в действительности является χλωρος – желто-зеленый). Позднее Гей-Люссак сократил это

название до хлора. Дэви доказал, что соляная кислота, будучи сильной кислотой, не содержит атома кислорода в своей молекуле, и, таким образом, опроверг предположение Лавуазье, который рассматривал кислород как необходимый компонент всех кислот.

Работы Дэви по электролизу продолжил его помощник и ученик Майкл Фарадей (1791-1867), который впоследствии стал знаменитым ученым. Фарадей называл расщепление молекул под действием электрического тока электролизом. Фарадей назвал соединение или раствор, способный проводить электрический ток, электролитом; металлические стержни или пластины, помещенные в расплавленный металл или раствор, – электродами; электрод, несущий положительный заряд – ано-дом; электрод несущий отрицательный заряд – катодом.

Реально существующие частицы, благодаря которым элект-рический ток проходит через раствор или расплав, Фарадей на-зывал ионами (от греческого ιογ – идущий). Ионы, перемеща-ющиеся по направлению а аноду, он назвал анионами, ионы, перемещающиеся по направлению к катоду – катионами.