II. Очерк исторического развития химии

Как область практич. деятельности X. уходит корнями в глубокую древность (Египет, Индия, Китай и др. страны). Задолго до нашей эры человек познакомился с превращениями различных веществ и научился пользоваться ими для своих нужд. Одна из древнейших ветвей X.- металлургия. За 4-3 тыс. лет до н.э. начали выплавлять медь из руд, а позже изготовлять сплав меди с оловом (бронзу). Во 2-м тысячелетии до н. э. научились получать из руд железо сыродутным процессом. За 1600 лет до н.э. начали применять для крашения тканей природную краску индиго, а несколько позже- пурпур и ализарин, а также приготовлять уксус, лекарства из растит, материалов и др. продукты, выработка к-рых связана с хим. процессами. К истокам X. относятся альтернативные в то время атомистическое учение и учение об элементах-стихиях древней натурфилософии.

В 3-4 вв. н. э. в Александрии зародилась алхимия, признававшая возможным превращение с помощью т. н. философского камня неблагородных металлов в благородные - в золото и серебро. Главным в X. этого периода было наблюдение отдельных свойств веществ и объяснение их с помощью субстанций (начал), якобы входящих в состав этих веществ.

Начиная с эпохи Возрождения в связи с развитием производства всё большее значение в алхимии стало приобретать производственное и вообще практическое направление: металлургия, стеклоделие, изготовление керамики и красок (труды В. Бирингуччо, Г. Агриколы, Б. Палисси и др.). Возникло особое мед. направление - ятрохимия (Т. Парацелъс, Я. Б. ван Гелъмонт и др.). Эти два направления характерны для этапа практич. X. 16 -1-й пол. 17 вв., к-рый непосредственно подвёл к созданию X. как науки. В этот период были накоплены навыки экспериментальной работы и наблюдений в области X., в частности разработаны и усовершенствованы конструкции печей и лабораторных приборов, методы очистки веществ (кристаллизация, перегонка и др.), получены новые хим. препараты. В нач. 2-й пол. 17 в. Р. Бойлъ доказал несостоятельность алхимических представлений, дал первое науч. определение понятия хим. элемента и тем самым впервые поднял X. на уровень науки. Процесс превращения X. в науку занял более ста лет и завершился открытиями А. Л. Лавуазье. Первая теория в X.- теория флогистона (в её основе лежало признание особого гипотетич. начала горючести - флогистона), хотя и была ошибочной, тем не менее обобщила широкий круг фактов, касавшихся горения и обжига металлов. Со 2-й пол. 17 в. стал быстро развиваться хим. анализ, сначала -качественный (начиная с Бойля), а с сер. 18 в. - количественный (начиная с М. В. Ломоносова и Дж. Блэка).

В 1748 Ломоносов и позднее Лавуазье открыли закон сохранения веса (массы) веществ при химических реакциях. Созданием кислородной теории Лавуазье, по словам Ф. Энгельса, "...впервые поставил на ноги всю химию, которая в своей флогистонной форме стояла на голове" (Маркс К. и Энгельс Ф., Соч., 2 изд., т. 24, с. 20). В кон. 18 в. X. окончательно приобрела черты подлинной науки.

X. 19 в. характеризуется развитием хим. атомистики (см. Атомизм). Атомное учение в 17-18 вв. разрабатывалось преим. с сугубо абстрактной, механистич. точки зрения. Но уже Ломоносов близко подошёл к приложению атомной гипотезы к задачам X. Хим. атомистика родилась из слияния старой натурфилософской идеи об атомах с опытными аналитич. данными о хим. количеств, составе веществ. В течение первых двух третей 19 в. в X. сформировались два фундаментальных её понятия - атомного веса (см. Атомная масса) и валентности, или " атомности"; позднее (1869) Менделеевым была раскрыта связь между ними. В 1803 Дж. Дальтон вывел из идей атомистики кратных отношений закон, а затем (1804) подтвердил его экспериментально. На этой основе он разработал представление об атомных весах и составил их первые таблицы, приняв за единицу соединительный вес (" пай") водорода. Однако значения атомных весов элементов были ещё весьма неточны, отчасти из-за несовершенства измерит, приборов, отчасти потому, что ещё не было установлено правильное соотношение между понятиями атома и молекулы. Представление о молекуле и её отличии от атома выдвинули А. Авогадро (1811) и А. Ампер (1814), но_ооно тогда не было принято химиками. И. Я. Берцелиус на большом экспериментальном материале подтвердил закон кратных отношений Дальтона, распространил его на органич. соединения, опубликовал (1814) таблицу более точных, чем у Дальтона, атомных весов 46 элементов и ввёл новые знаки химические. Опираясь на первые данные о существовании связи между электрич. и хим. процессами (см. Электрохимия), Берцелиус выдвинул " дуалистическую" теорию (1812-19), согласно к-рой хим. взаимодействия обусловлены действием электрич. сил, поскольку допускалось, что в каждом атоме, в любой атомной группировке имеются два электрич. полюса. Были сделаны попытки приложить эту теорию к органич. X., а именно: к радикалов теории, согласно к-рой органич. соединения также состоят из двух частей, причём одна часть является радикалом - группой атомов, к-рая ведёт себя подобно отдельному атому и может без изменения переходить из одного хим. соединения в другое. На смену дуалистич. теории пришла унитарная (молекулярная) теория Ш. Ф. Жерара и, соответственно, на смену теории радикалов - типов теория. Теория типов отражала не строение вещества, а его хим. превращения, впервые указывая на реакционную активность т. н. функциональных групп молекулы. Поэтому у одного вещества могло быть несколько различных " типических" формул. Сами же органич. соединения рассматривались как продукты замещения атомов водорода др. атомами или группами атомов (остатками) в молекулах водорода, воды, хлористого водорода и аммиака. Теория типов, в особенности введённое Жераром представление о гомологических рядах, сыграла положит, роль в классификации органич. веществ и их превращений.

В 1852 Э. Франкленд, изучая металло-органич. соединения, заложил основы учения о валентности. Он показал, что атомы элементов обладают определённой " соединительной силой, удовлетворяясь одним и тем же числом присоединяющихся атомов". За единицу валентности была принята валентность водорода. Позднее Ф. А. Кекуле ввёл понятие о соединениях типа метана; из этого следовало, что атом углерода четырёхвалентен; он же высказал предположение (1858), что атомы углерода могут соединяться в цепи. В том же году А. Купер впервые составил графич. формулы органич. соединений, исходя из того, что атом углерода четырёхвалентен. Однако Кекуле не сумел ещё полностью преодолеть ограниченность " типических" воззрений. Это сделал А. М. Бутлеров (1861), создав химического строения теорию, согласно к-рой хим. свойства вещества определяются составом и строением молекул, а реакционная способность зависит от того, в какой последовательности атомы связаны в данной молекуле, а также от их взаимного влияния.

Первый международный конгресс химиков в Карлсруэ (1860) чётко разграничил понятия атома, молекулы, эквивалента; это способствовало дальнейшему развитию X. В 1859-61 она обогатилась весьма совершенным методом спектрального анализа, благодаря чему удалось обнаружить присутствие нек-рых хим. элементов в составе небесных тел; была установлена связь между физикой (оптикой), астрономией и X.

По мере открытия новых хим. элементов всё острее ощущалась необходимость их систематизации. В 1869 Д. И. Менделеев обнаружил их взаимную связь: он создал периодическую систему элементов и открыл лежащий в её основе закон (периодический закон Менделеева). Это открытие явилось теоретич. синтезом всего предшествующего развития X.: Менделеев сопоставил физ. и хим. свойства всех известных тогда 63 хим. элементов с их атомными весами и раскрыл зависимость между двумя важнейшими количественно измеримыми свойствами атомов, на к-рых строилась вся X., - атомным весом и валентностью (" формами соединений").

На основе периодич. системы Менделеев исправил ранее принятые значения атомных весов многих элементов и предсказал ряд не открытых ещё элементов, подробно описав предполагаемые свойства трёх из них. Эти прогнозы, а вместе с ними и сам периодич. закон вскоре получили блестящее опытное подтверждение. В дальнейшем периодич. закон лёг в основу развития X. и всего учения о веществе.

По мере прогресса физики и X. устанавливались основные понятия и законы, к-рые, с одной стороны, поставили на более высокую ступень обе эти науки, а с другой - послужили основой для становления физ. химии, зарождение отдельных отраслей к-рой началось ещё в кон. 18 - 1-й пол. 19 вв. В исследовании общих закономерностей, управляющих хим. процессами, оказалась крайне заинтересованной и хим. пром-сть, достигшая значит, успехов к 80-м гг. 19 в.

Изучение тепловых эффектов хим. процессов получило прочную основу после открытия Г. И. Гессом (1840) основного теплового закона хим. процессов (см. Тесса закон). Во 2-й пол. 19 в. большая работа по определению теплот хим. реакций была проделана П. Э. М. Бертло, X. П. Ю. Томсеном, Н. Н, Бекетовым и др.; она завершилась к кон. 19 в. созданием одного из разделов физ. X.- термохимии. С возникновением термодинамики и развитием термохимии в тесной связи с последней во 2-й пол. 19 в. начинает развиваться хим. термодинамика, изучающая энергетич. эффекты, к-рыми сопровождаются хим. процессы, самую возможность, направление и пределы таких процессов и др. термодинамич. явления в физико-химич. системах (труды Дж. Гиббса, Я. Вант-Гоффа, А. Ле Шателье и др.).

Успешно начатые Г. Дэви электрохим. исследования получили количеств, завершённость в трудах М. Фарадея, открывшего (1833-34) законы электролиза. Со 2-й пол. 19 в. началось изучение механизма прохождения электрич. тока через растворы электролитов (работы Р. Клаузиуса, И. В. Гитторфа, Ф. Коль-рауша и др.), к-рое привело к созданию С. Аррениусом теории электролитической диссоциации (1883-87). Согласно этой теории, электролиты в растворах распадаются на ионы. Приложение законов термодинамики к электрохимии позволило установить и причину возникновения эдс в гальванич. цепях.

Одновременно развивалось учение о растворах, к-рое обогатилось результатами исследований Вант-Гоффа, посвящённых разбавленным растворам; в этих трудах, выполненных в 1885-89, свойства растворённых веществ сопоставлялись со свойствами газов, а растворитель считался индифферентной средой. Согласно хим. теории водных растворов Менделеева, разработанной в 1865-87, растворённое вещество и растворитель взаимодействуют между собой в растворе. Менделеев не проводил резкой границы между хим. взаимодействием и взаимодействием растворённого вещества и растворителя в растворе. Этот вывод получил дальнейшее развитие в работах Н. С. Курнакова и его школы по физико-химическому анализу.

Наблюдения над жидкими системами показали, что наряду с истинными растворами, в к-рых растворённые вещества находятся в виде отдельных молекул и ионов, существуют и такие, в к-рых " растворённое" вещество находится в виде агрегатов, состоящих из огромного числа молекул. Для таких систем Т. Грэм ввёл (1861) назв. " коллоиды". Дальнейшее изучение дисперсных систем привело к созданию коллоидной химии.

Уже в нач. 19 в. были получены первые сведения об ускорении хим. реакций под действием небольших количеств нек-рых веществ. Такие процессы Э. Мичерлих назвал контактными (1833), а Берцелиус-каталитическими (1835). С тех пор как было налажено каталитич. производство серной кислоты (60-е гг. 19 в.), интерес к таким процессам сильно возрос. К кон. 19 в. учение о катализе и практич. использование катализаторов заняли важное место в X. С катализом теснейшим образом связана адсорбция, открытая Т. Е. Ловицем в 1785. В 1878 Гиббс установил основные законы поверхностных явлений, адсорбции и образования новых фаз.

Со 2-й пол. 19 в. развивается учение о скоростях хим. реакций и хим. равновесии. Значение активной массы (концентрации) реагирующих веществ было отмечено ещё в 1801-03 К. Бертолле. Последующая разработка вопросов, связанных с равновесием хим. реакций, привела К. Гулъдберга и П. Вааге к открытию (1864-67) действующих масс закона, к-рый лёг в основу учения о скоростях реакций. Систематич. работы Н. А. Меншуткина (с 1877) явились существенным вкладом в установление кинетич. закономерностей хим. реакций. В 1884 Вант-Гофф суммировал накопившийся в этой области материал в виде кинетич. уравнений.