Центр передовых технологий ЗДОРОВЫЕ РЕЦЕПТЫ  Наши телефоны







Развитие современной химии

Изучено повышение уровня логического мышления учащихся на заключительном этапе обобщающего повторения при проведении урока на тему «Развитие современной химии». Определены факторы, влияющие на повышение познавательной деятельности учащихся.

 

Представления древнегреческих натурфилософов оставались основными идейными истоками естествознания вплоть до XVIIIвека. До начала эпохи возрождения в науке господствовали представления Аристотеля. В дальнейшем стало расти атомистические взгляды, впервые высказанные Левкиппом и Демокритом.

Алхимические работы опирались преимущественно на натурфилософские взгляды Платона и Аристотеля. Большинство экспериментаторов того периода были откровенными шарлатанами, которые пытались с помощью примитивных химических реакций получить или золото, или философский камень – вещество дающее бессмертие. Однако были и настоящие ученые, которые пытались систематизировать знания. Среди них Авиценна, Парацельс, Роджер Бекон.

Некоторые химики считают, что алхимия – это зря потерянное время. Однако это не так: в процессе поиска золота было открыто множество химических соединений и изучены их свойства. Благодаря этим знаниям в конце XVIIвека была создана первая серьезная химическая теория – теория флогистона [1].

Творец теории флогистона – Георг Шталь. Он считал, что флогистон содержится во всех горючих и способных к окислению веществах. Горение или окисление рассматривалось им как процесс, при котором тело теряет флогистон. Воздух играет при этом особо важную роль. Он необходим для окисления, чтобы выбирать в себя флогистон. Из воздуха флогистон попадает в листья растений и в их древесину, из которых при восстановлении он вновь освобождается и возвращается телу. Так впервые была сформулирована теория, описывающая процессы горения. Ее особенности и новизна состояли в том, что одновременно рассматривались во взаимосвязи процессы окисления и восстановления.

Теория флогистона развивала идеи Бехера и атомистические представления. Она позволяла объяснить протекание различных процессов в ремесленной химии и в первую очередь, в металлургии и оказала громадное влияние на развитие химических ремесел и совершенствование методов «экспериментального искусства» в химии.

Теория флогистона способствовала и развитию учения об элементах. Приверженцы теории флогистона называли элементами оксиды металлов, рассматривая их как металлы, лишенные флогистона. Металлы же, напротив, считали соединениями элементов с флогистоном. Потребовалось лишь поставить все положения этой теории «с головы на ноги». Что и было сделано в дальнейшем. Для объяснения того, что масса оксидов больше чем масса металлов, Шталь предположил, что флогистон имеет отрицательный вес: флогистон, соединившись с элементом, «тянет» его вверх. Несмотря на одностороннюю, лишь качественную характеристику процессов, происходящих при горении, теория флогистона имела громадное значение для объяснения и систематизации именно этих превращений.

На неверность флогистонной теории указывал М.И.Ломоносов. Однако экспериментально доказать это смог Антуан Лоран Лавуазье. Он заметил, что при горении фосфора и серы же, как и при прокаливании металлов, происходит увеличение веса вещества [2]. Казалось бы естественным сделать: увеличение веса сжигаемого вещества происходит при всех процессах горения. Однако этот вывод настолько противоречил положениям теории флогистона, что нужна была недюжинная смелость, чтобы высказать его хотя бы в виде гипотезы. Лавуазье решил проверить высказанные ранее Бойлем, Реем, Мэйоу и Ломоносовым гипотезы о роли воздуха в процессах горения. Он интересовался тем, увеличивается ли количество воздуха, если в нем происходит восстановление окисленного тела и выделение благодаря этому допольнительного воздуха. Лавуазье удалось доказать, что действительно количество воздуха при этом возрастает.

Это открытие Лавуазье назвал самым интересным со времени работ Шталя. Поэтому в ноябре 1772 года он направил в Парижскую академию наук специальное сообщение о полученных им результатах. На следующем этапе исследований Лавуазье полагал выяснить, какова природа «Воздуха», соединяющегося с горючими телами при их окислении. Однако все попытки установить природу этого «воздуха» в 1772-1773 годах окончились безрезультатно. Дело в том, что Лавуазье, так же как и Шталь, восстановливал «металлические извести» путем непосредственного контакта с «углеобразной материей» и тоже получал при этом диоксид углерода, состав которого он не мог тогда установить. Как считал Лавуазье, «уголь сыграл с ним злую шутку». Однако Лавуазье, как и многим другим химикам, не приходила мысль, что восстановление оксидов металлов можно осуществить нагреванием с помощью зажигательного стекла.

Только Лавуазье смог использовать открытие кислорода в качестве главного аргумента против теории флогистона. Весной 1775 г. Лавуазье воспроизвел опыт Пристли. Он хотел получить кислород и проверить, был ли кислород тем компенентом воздуха, благодаря которому присходило горение или окисление металлов. Лавуазье удалось не только выделить кислород, но и вновь получить оксид ртути [3]. Одновременно Лавуазье определял весовые отношения вступающих в эту реакцию еществ. Ученому удалось доказать, что отношения количества веществ, учавствующих в реакциях окисления и восстановления, остаются неизменными. Работы Лавуазье произвели в химии, пожалуй, такую же революцию, как два с половиной века до открытия Коперника в астрономии. Вещества, которые раньше считались элементами, как показал Лавуазье, оказались соединениями, состоящими в свою очередь из сложных «элементов». Открытия и воззрения Лавуазье оказали громадное влияние не только на развитие химической теории, но и на всю систему химических знаний.

Развитие химических знаний Лавуазье увенчал созданием новой системы, в которую вошли важнейшие достижения химии прошлых веков. Эта система, правда, в значительно расширенном и исправленном виде, стала основой научной химии.

Лавуазье разделял элементы на металлы и неметаллы, а соединения на двойные и тройные. Двойные соединения, образуемые металлами с кислородом, он относил к основаниям, а соединения неметаллов с кислородом – к кислотам. Тройные соединения, получающиеся при взаимодействии кислот и оснований, он называл солями. Система Лавузье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях. Это довольно новый вид аргументации он использовал, изучая многие спорные проблемы химии-вопросы теоии горения, проблемы взаимного превращения элементов, которые были весьма актуальны в период становления научной химии. Так, для проверки представления о возможности взаимного превращения элементов Лавуазье в течение нескольких дней нагревал воду в запаянном сосуде. В итоге он обнаружил в воде незначительное количество «земли», установив при этом, что изменение общего веса сосуда вместе с водой не происходит. Образование «земель» Лавуазье объяснил не как результат их выделения из воды, а за счет разрушения стенок реакционного сосуда. Для ответа на этот вопрос шведский химик-аптекарь К.Шееле в то же время использовал качественные методы доказательства, установив идентичность выделяющихся «земель» и материала сосуда. Лавуазье, как и Ломоносов, учитывал сущестовавщие с древности наблюдения о сохранении веса веществ и систематически изучал весовые соотношения веществ, учавствующих в химической реакции. Он обратил внимание на то, что, например, при горении серы или при образовании ржавчины на железе происходит увеличение веса исходных веществ.

Это противоречило теории флогистона, согласно которой при горении должен был выделяться гипотетический флогистон. Лавуазье счел ошибочным объяснение, согласно которому флогистон обладал отрицательным весом, и окончательно отказался от этой идеи.

Другие химики, например М.В.Ломоносов или Дж. Мэйоу, пытались объяснить окисление элементов и образование оксидов металлов как процесс, при котором частицы воздуха соединяются с каким-либо веществом. Этот воздух может быть «оттянут обратно» путем восстановления.

В 1772 году Лавуазье собрал этот воздух, но не смог установить его природу. Первым об открытии кислорода сообщил Пристли. В 1775 году ему удалось доказать, что именно кислород соединяется с металлом и вновь выделяется из него при его восстановлении, как, например, при образовании «извести» ртути и ее восстановлении. Систематическим взвешиванием было установлено, что вес металла, учавствующего в этих превращениях, он изменяется.

Сегодня этот факт, казалось бы, убедительно доказывает справедливость предположенный Лавуазье, а тогда большинство химиков отнеслись к нему скептически. Одной из причин такого отношения было то, что Лавуазье не мог объяснить процесс горения водорода. В 1783 году он узнал что, используя электрическую дугу Кавендиш доказал образование воды при сжигании смеси водорода и кислорода в закрытом сосуде. Повторив этот опыт, Лавуазье нашел, что вес воды соответствует весу исходных веществ. Затем он провел эксперимент, в котором пропускал водяной пар через железные стружки, помещенные в сильно нагреваемую медную трубку. Кислород соединился с железными стружками, а водород собирался на конце трубки. Таким образом, воспользовавшись превращениями веществ, Лавуазье сумел объяснить процесс горения и качественно, и количественно, и для этого ему уже не нужна была теория флогистона. Пристли же и Шееле, которые открыв кислород, фактически создали основные предпосылки для появления кислородной теории Лавуазье, сами твердо придерживались позиций теории флогистона [4].

Надежность и полнота опытных данных, ясность аргументации и простота изложения способствовали быстрому распространению системы Лавуазье в Англии, Голландии, Германии, Швеции, Италии.

В 1790 годах в Германии не раз публиковались работы Лавуазье. Большинство известных химиков Англии, Голландии, Германии, Швеции, Италии разделяли взгляды Лавуазье. Нередко в историко-научной литературе можно прочесть, что для признания теории Лавуазье химикам понадобилось достаточно много времени. Онако по сравнению с 200 годами непризнания астрономами взглядов Коперника 10-15-летний период дискуссий в химии не так уж велик.

В последней трети восемнадцатого века в одной из важнейших была проблема, которая многие века интересовала ученых: химики хотели понять, почему и в каких соотношениях соединяются вещества друг с другом.

К этой проблеме проявляли интерес еще греческие философы, а во времени Возрождения ученые выдвыгали идею о сродстве веществ и даже строили ряды веществ по сродству. Парацельс писал, что ртуть образует с металлами амальгамы, причем для разных металлов с различной скоростью и в такой последовательности: быстрее всего с золотом, затем с серебром, свинцом, оловом, медью и наконец, медленнее всего с железом. До последней трети восемнадцатого века многочисленные исследования были направлены на то, чтобы расположить вещества по величине их «сродства», и многие химики составляли соответствующие таблицы. Для объясненя различного химического сродства веществ выдвигались и атомистические представления, а после того как в конце восемнадцатого-начала девятнадцатого веках ученые стали понимать влияние электричества на протекание некоторых химических процессов, для этой же цели пытались использовать и представления об электричестве. Основываясь на них, Берцелиус создал дуалистическую теорию состава веществ, в соответствии с например, соли состоят из положительно и отрицательно заряженных «оснований» и «кислот»: при электролизе они притягиваются к противоположно заряженным электродам и могут распадаться при этом на элементы вследствие нейтрализации зарядов. Со второй половины восемнадцатого века особенно много внимания ученые стали уделять вопросу: в каких количественных соотношениях взаимодействуют друг с другом вещества в химических реакциях? Уже давно было известно, что кислоты и основания могут нейтрализовать друг друга. Предпринимались также попытки установить содержание кислот и оснований в солях. Т.Бергман и Р.Кирван нашли, что, например, в реакции двойного обмена между химически нейтральными сульфатом калия и нитратом натрия образуются новые соли – сульфат натрия и нитрат калия, которые тоже являются химически нейтральными. Но ни один из исследователей не сделал из этого наблюдения общего вывода. В 1767 году Кавендиш обнаружил, что количество азотной и серной кислот, нейтрализующие одинаковые количества карбоната калия, нейтрализуют также одинаковое количество карбоната кальция.

После работ Лавуазье, Пруста, Ломоносова и Менделеева уже в ХХ веке было сделано много важнейших открытий в области хиии и физики. Это работы по термодинамике, строение атома и молекул, электрохимии – этот список можно продолжить до бесконечности. Однако открытия Лавуазье и Д.И.Менделеева остаются фундаментом химических знаний.