Химия на рубеже 19-20 веков

РОССИЙСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

НЕФТИ И ГАЗА ИМЕНИ И. М. ГУБКИНА

 

 

 

Кафедра философии  и социально-политических технологий

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«ХИМИЯ НА РУБЕЖЕ 19 – 20 ВЕКОВ»

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:    ст.гр. ХТМ-13-01

Муллагалямова Ю.И.

Проверил:         проф. Герасимова И.А.

 

Москва - 2013

ВВЕДЕНИЕ

 

В XVII веке теория алхимии уже не отвечала требованиям практики. В 1661 г. Бойль выступил против господствующих в химии представлений и подверг  жесточайшей критике теорию алхимиков. Он попытался дать определение химического элемента. Бойль считал, что элемент – это предел разложения вещества на составные части. Разлагая природные вещества, исследователи открыли новые элементы и соединения. Химики стали изучать, что из чего состоит.

В начале 18 века Георгом Шталем была развита флогистонная теория, согласно которой все тела, способные гореть и окисляться, содержат вещество флогистон. Флогистон представляли как невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при горении. Флогистон – гипотетическая «сверхтонкая материя» – «огненная субстанция», якобы наполняющая все горючие вещества и выделяющаяся из них при горении.

В то время считалось, что металл – это соединение «земли» (оксида металла) с флогистоном, и при горении металл разлагается на «землю» и флогистон, который смешивается с воздухом и не может быть отделён от него. Открытое позже увеличение массы металла при прокаливании стали объяснять отрицательной массой флогистона. Способность выделять флогистон из воздуха приписывали растениям.

Остаток воздуха, оставленного после горения, фактически являющийся смесью азота  и углекислого газа, иногда упоминался как «phlogisticated air» (флогистированный воздух). Наоборот же, когда был обнаружен кислород, его назвали «dephlogisticated air» (дефлогистированный воздух), как вещество, способное к объединению с большим количеством флогистона и таким образом поддерживающее горение дольше, чем обычный воздух.

За время почти столетнего господства теории флогистона были открыты многие газы, изучены различные металлы, оксиды, соли. Однако противоречивость этой теории тормозила дальнейшее развитие химии.

В 1777 году Лавуазье, в результате проведенных им экспериментов, доказал, что процесс горения является реакцией соединения кислорода воздуха и горящего вещества. Таким образом, теория флогистона была опровергнута. С создания кислородной теории горения начался переломный этап в развитии химии, названный «химической революцией». Химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел; она завершила период становления химии, ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от алхимических представлений о природе вещества и его свойств.

 

Период  количественных законов: конец XVIII – середина XIX в

Основываясь на законе кратных отношений  и законе постоянства состава, объяснить  которые, не прибегая к предположению  о дискретности материи, невозможно, Дж. Дальтон разработал свою атомную теорию (1808 год). Важнейшей характеристикой атома элемента Дальтон считал атомный вес. Проблема определения атомных весов на протяжении нескольких десятилетий являлась одной из важнейших теоретических проблем химии.

Огромный вклад в развитие химической атомистики внёс шведский химик Й. Я. Берцелиус, определивший атомные массы  многих элементов. Он же в 1811—1818 разработал электрохимическую теорию сродства, объяснявшую соединение атомов на основе представления о полярности атомов и электроотрицательности.

Свою молекулярную теорию, органично  дополняющую атомистику Дальтона, разработал А. Авогадро, однако его взгляды долгое время не находили признания.

Наряду с атомными весами, долгое время в химии существовала система  «эквивалентных весов», которую развивали  У. Волластон и Л. Гмелин. Многим химикам эквивалентные веса казались более удобными и точными, чем атомные, поскольку они рассчитывались без принятых Дальтоном допущений. Однако для органической химии система эквивалентов оказалась малопригодной, и в 1840-х гг. Ж. Б. Дюма, Ш. Жерар и О. Лоран возродили идеи Авогадро.

Окончательную ясность в атомно-молекулярную теорию внёс С. Канниццаро. Он чётко разграничил понятия «атом», «молекула» и «эквивалент» и предложил рациональную систему атомных весов. Реформа Канниццаро, получившая всеобщее признание на Международном конгрессе химиков в Карлсруэ (1860 год), завершила период, основным содержанием которого стало установление количественных законов. Определения атомных масс химических элементов, которые выполнил в первой половине 1860-х годов бельгийский химик Ж. С. Стас, до конца XIX века считались наиболее точными и открыли дорогу для систематизации элементов. (В 1860 году он предложил за единицу атомной массы принимать 1/16 часть массы атома кислорода. Кислородная единица была принята в 1906 году и использовалась до 1961 года. Совместно с Дюма установил, что атомная масса углерода равна 12, а не 6, как считали ранее).

Поворотный этап в истории развития химической атомистики связан с именем шведского химика Йенса Якоба Берцелиуса. Он вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомистической теории.

После того, как атомистическая теория была принята, стало возможным изображать вещества в виде молекул, содержащих постоянное число атомов различных  элементов. Берцелиус решил, что  для изображения элементов достаточно лишь начальных букв названий. Он предложил, чтобы каждому элементу соответствовал 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. Так появились  химические символы, которыми пользуются и поныне.

Электролиз. Изучая влияние электрического тока на химические вещества, ученые смогли выделить ряд новых элементов. Английский химик Гемфри Дэви решил, что если вещество нельзя разложить химическим путем, то, возможно, это удастся осуществить под действием электрического тока: ведь таким способом удалось разложить даже молекулу воды. Дэви сконструировал батарею; пропуская ток, который давала эта батарея, через растворы соединений, он пытался выделить неизвестные элементы, но разложил только воду.

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. Это оказалось действенным. Электролизом Дэви получил калий, натрий, магний, стронций, барий, кальций.

Работы Дэви по электролизу продолжил  его помощник и ученик Майкл Фарадей. Ряд электрохимических терминов, введенных Фарадеем, используется и  по сей день(электролиз, электролит, электроды, анод, катод, анионы, катионы).

В 1832 году Фарадей установил, что  электрохимические процессы характеризуются  определенными количественными  соотношениями, и сформулировал  следующие два закона электролиза:

Вес вещества, выделившегося на электроде  во время электролиза, пропорционален количеству электричества, пропущенного через раствор.

Вес металла, выделенного данным количеством  электричества, пропорционален эквивалентному весу этого металла.

Органическая химия

Крушение витализма. В 1807 году Берцелиус  предложил вещества, которые типичны  для живой природы, называть органическими, а вещества, характерные для неживой природы – неорганическими. XIX век был временем господства витализма – учения, рассматривающего жизнь как особое явление, подчиняющееся влиянию особых жизненных сил. Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требуется какое-то особое воздействие, которое проявляется только внутри живой ткани.

В 1828 году Фридрих Вёлер, нагревая цианат аммония, обнаружил образование кристаллов, похожих на мочевину. Тем самым он получил из неорганического вещества органическое.

Открытие Вёлера способствовало низвержению витализма и вдохновило химиков на попытки синтеза органического вещества.

В 1845 году Адольф Вильгельм Герман Кольбе успешно синтезировал уксусную кислоту; в 50-е годы XIX века Пьер Эжен Марселен Бертло синтезировал метиловый и этиловый спирты, метан, бензол, ацетилен; в 1812 году Кирхгофу удалось получить глюкозу; в 1820 году Анри Браконно получил глицин – первую аминокислоту; в 1809 Мишель Эжен Шеврель выделил жирные кислоты.

К середине XIX века стало непопулярным причислять то или иное соединение к органическим или неорганическим, исходя лишь из того, является или не является оно продуктом живой  ткани. Тем не менее, деление соединений на органические и неорганические имело смысл.

Немецкий химик Фридрих Август Кекуле фон Страдонитц сделал верный вывод. В учебнике, опубликованном в 1861 году, Кекуле определил органическую химию как химию соединений углерода.

 

Химия во второй половине XIX в

Для данного периода характерно стремительное развитие науки: были созданы периодическая система  элементов, теория химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика  и химическая кинетика; блестящих  успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии — выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

Таблица Менделеева 1869 года

Одной из важнейших задач химии второй половины XIX века стала систематизация химических элементов. Создание Периодической  системы стало результатом длительного  эволюционного процесса, который  начался с закона триад, предложенного  И. В. Дёберейнером в 1829 году (атомная масса среднего элемента триады была равна среднему арифметическому атомных масс двух крайних элементов триады). Выявленная им несомненная взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами была развита Л. Гмелиным, показавшим, что эта взаимосвязь значительно сложнее, нежели триады. Ж. Дюма и М. фон Петтенкофер предложили дифференциальные системы, направленные на выявление закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые были развиты А. Штреккером. В середине 1860-х У. Одлинг, А. Э. Бегуйе де Шанкуртуа, Дж. Ньюлендс и Л. Мейер предложили несколько вариантов таблиц, в которых уже явственно прослеживается периодичность свойств элементов.

В 1869 году Д. И. Менделеев опубликовал  первый вариант своей Периодической  таблицы и сформулировал Периодический закон химических элементов. Менделеев не просто констатировал наличие взаимосвязи между атомными весами и свойствами элементов, но взял на себя смелость предсказать свойства нескольких неоткрытых ещё элементов. После того, как предсказания Менделеева блестяще подтвердились, Периодический закон стал считаться одним из фундаментальных законов природы.

 

Структурная химия

В 1852 году английский химик Эдуард Франкланд выдвинул теорию, которая позднее стала известна как теория валентности, согласно которой каждый атом обладает определенной способностью к насыщению (или валентностью). Прежде всего, с введением понятия «валентность» удалось уяснить различие между атомным весом и эквивалентным весом элементов. Даже в середине XIX века многие химики еще путали эти понятия.

Эквивалентный вес атома равен  его атомному весу, деленному на его валентность.

Теория валентности сыграла  важнейшую роль в развитии теории химии и в органической химии  в особенности. После того, как  была построена первая органическая молекула, стало совершенно ясно, почему органические молекулы, как правило, значительно больше и сложнее, чем  неорганические.

Согласно представлениям Кекуле, углеродные атомы могут соединяться друг с другом с помощью одной или нескольких из четырех своих валентных связей, образуя длинные цепи. По-видимому, никакие другие атомы не обладают этой замечательной способностью в той мере, в какой обладает ею углерод.

Полезность структурных формул была настолько очевидной, что многие химики-органики приняли их сразу. Они  признали полностью устаревшими  все попытки изображать органические молекулы как структуры, построенные  из радикалов. В результате было признано необходимым, записывая формулу  соединения, показывать его атомную  структуру.

Русский химик Александр Михайлович Бутлеров использовал эту новую  систему структурных формул в  разработанной им теории строения органических соединений. В 60-х годах XIX столетия он показал, как с помощью структурных  формул можно наглядно объяснить  причины существования изомеров.

Основные идеи теории химического  строения Бутлеров изложил в докладе  «О химическом строении вещества», прочитанном  в химической секции Съезда немецких естествоиспытателей и врачей в  Шпейере (сентябрь, 1861). Основы этой теории сформулированы таким образом:

1)  Атомы в молекулах соединены  друг с другом в определенной  последовательности согласно их  валентностям. Последовательность  межатомных связей в молекуле  называется ее химическим строением  и отражается одной структурной  формулой (формулой строения).

2)  Химическое строение можно  устанавливать химическими методами.

3)  Свойства веществ зависят  от их химического строения.

4)  По свойствам данного вещества  можно определить строение его  молекулы, а по строению молекулы - предвидеть свойства.

5)  Атомы и группы атомов  в молекуле оказывают взаимное  влияние друг на друга.

Основой теории Бутлерова является идея о порядке химического взаимодействия атомов в молекуле. Этот порядок  химического взаимодействия не включает представления о механизме химической связи и физическом расположении атомов. Эта важная особенность теории химического строения позволяет  всегда опираться на нее при построении физической модели молекулы.

Таким образом, А. М. Бутлеров первый установил, что каждая молекула имеет определенное химическое строение, что строение определяет свойства вещества и что изучая химические превращения вещества, можно установить его строение.

Бутлеров впервые объяснил явление  изомерии тем, что изомеры — это  соединения, обладающие одинаковым элементарным составом, но различным химическим строением. В свою очередь, зависимость  свойств изомеров и вообще органических соединений от их химического строения объясняется существованием в них  передающегося вдоль связей «взаимного влияния атомов», в результате которого атомы в зависимости от их структурного окружения приобретают различное  «химическое значение». Самим Бутлеровым и особенно его учениками В. В. Марковниковым и А. Н. Поповым это общее положение было конкретизировано в виде многочисленных «правил». Уже в XX в. эти правила, как и вся концепция взаимного влияния атомов, получили электронную интерпретацию.