Бесов Л.М. История науки и техники

Подождите немного. Документ загружается.

141

що він був переконаним прихильником теорії флогістону, часто

заважала йому правильно інтерпретувати зроблені ним відкриття.

У 1766 р., коли йому виповнилось 35 років, він опублікував

першу роботу: «Досліди з штучним повітрям». Мова у ній йшла про

«горюче повітря». У сучасному розумінні це − водень. Відомо, що до

Кавендіша відкриття першої газоподібної речовини,

якою є водень,

«горюче повітря», спостерігали і Бойль, і французький хімік Нікола

Лемері, і Михайло Ломоносов. Але вони обмежились лише

констатацією факту. Кавендіш же описав своєрідні властивості

водню як індивідуальної речовини. Діючи розведеними соляною і

сірчаною кислотами на залізо, цинк, олово, він кожного разу

впевнювався, що виділяється один і той

же газ. Кавендіш був

впевнений, що «горюче повітря» (водень) і є флогістон, який

випаровується з металів при їх обробці кислотами. Адже газ

відрізняється надзвичайною легкістю. А вчення про флогістон

містило ідею про від′ємну вагу цієї субстанції.

Продовжуючи дослідження, Кавендіш впевнився: газ за вагою і

його щільність відносно повітря становить 009 (сучасне

значення -

007). З′явилось нове пояснення: «горюче повітря» є сполукою

флогістону з водою.

Усе наведене є прикладом того, як флогістонна теорія Шталя

стала перешкодою на шляху правильного трактування одного з самих

знаменитих відкрить - виявлення самого легкого хімічного елемента,

який через 100 років «очолив» періодичну систему Д.І.Мендєєва.

70−і роки Х

VІІІ cт. − це епоха тріумфу пневматичної хімії. У

цей період відкриті основні гази атмосфери - азот і кисень.

Незалежно від Даніеля Резерфорда Кавендіш у 1772 р. виділив

«мефітичне повітря» (азот). Але цей результат не був оголошений.

Він провів детальне дослідження властивостей цього газу.

Істотний внесок Кавендіша у вивчення вогневого повітря

(

кисню). Ним його виявлено незалежно від Карла Шеєле і Джозефа

Прістлі у 1773−1774 рр.. Для аналізу повітря Кавендіш використав

власне сконструйований у 1773 р. спеціальний прилад − евдіометр

(від грецького «еудіс» - «чисте», «ясне» - про повітря). У 1785 р.

вчений задався питанням: чи не міститься в атмосфері, крім азоту,

кисню і вуглекислого газу,

ще який-небудь невідомий «різновид

повітря»?

Протягом двох тижнів Кавендіш пропускав електричний

розряд через повітря, збагачене киснем. Оксиди, які при цьому

утворювались, поглинались розчином КОН. Вилучивши потім

залишок кисню, дослідник виявив цікавий факт: у розчині незмінною

залишалась бульбочка повітря, яка складала приблизно 1/125

початкового об′єму газової суміші. Ні електричний розряд, ні

хімічні

реагенти на неї не діяли. Що це? Кавендіш відповіді не знайшов.

142

І лише у 1894 р. його співвітчизники Уільям Рамзай і Джон

Уільям Релєй відкрили аргон. Описали його властивості. Це

відкриття здійснено поділом на фракції рідкого повітря.

До кінця свого життя Кавендіш залишався вірним теорії

флогістона. При поясненнях він використовував її, незважаючи на те,

що багато його власних дослідів суперечили цій теорії.

Таким

чином, експериментальні дослідження Кавендіша багато

в чому сприяли виникненню пневматичної хімії (від грецького слова

- «пневма» - вітер, подих), тобто хімії газів. Створена камера Стефена

Гейлса надала можливість досліджувати гази.

Ще декілька досягнень ХVІІІ ст. До його кінця список хімічних

елементів поповнили нікель, фтор, хлор, марганець, барій, молібден,

вольфрам, теллур, уран

, цирконій, стронцій, титан, іттрій, хром,

берілій. Відкриті і деякі важливі неорганічні сполуки: сірчаний газ,

сірководень, ряд оксидів азоту, оксид вуглецю, деякі солі.

До кінця ХVІІІ ст. чіткі контури набули два важливих розділи

хімії − неорганічна і аналітична хімія. З природних продуктів удалось

виділити декілька десятків органічних сполук (головним чином,

кислот). Були розроблені прийоми аналізу органічних речовин. Це

сприяло виникненню органічної хімії.

З′явились перші дослідження в галузі термохімії і

електрохімії. Формування хімії як самостійної науки вступило у

завершальну стадію.

Однією з передумов хімічної революції стало широке

застосування методу кількісних вимірів. Теоретичну основу

кількісний метод отримав у законі збереження маси речовини

хімічних реакціях. Його сутність у 1760 р. чітко виразив російський

вчений Михайло Ломоносов.

Наприкінці ХVІІІ ст. в розвитку хімії спостерігається

бурхливий прогрес. Промислове виробництво, промислова революція

в Англії, соціальні процеси у Франції та інші вимагали розв′язання

хіміко-технічних проблем, пошуків нових видів сировини, металевих

руд, джерел енергії. Їх

відкриття, у свою чергу, вимагало хіміко-

аналітичних досліджень. Це привело до розвитку методів

аналітичного аналіза. Його результатами було швидке

розповсюдження фактичного матеріалу. Згодом це привело до

«хімічної революції» ХVІІІ ст.

Хiмічна революція

Переворот у хімії, що пов′язаний з розвінчуванням теорії

флогістону, за часом співпадає з французькою

буржуазною

революцією. Ця революція пов′язана з розквітом науки у Франції.

143

Хімічний прилад для дослідів з

газами. З книги А.Л.Лавуазьє

“Основи антифлогістонної хімії”.

Видання 1792 р.

Наприкінці ХVІІІ ст. тут виросла плеяда таких талановитих вчений,

як Гаспар Монж, Лазар Нікола Маргеріт Карно, Антуан Франсуа

Фуркруа, П′єр Симон Лаплас, Нікола Леонар Саді Карно та інші.

Авторитет французької науки настільки зріс, що відкриття і нові

наукові положення, висунуті вченими Франції, знаходили підтримку

багатьох вчених інших країн Європи

В епоху революції багато вчених Франції безпосередньо

приймали участь у громадсько-політичній діяльності. За їх

пропозиціями проведена повна реформа в освіті. Університети

виведені з-під впливу церкви. Уведена нова система організації

вищої школи і нова система викладання дисциплін.

Громадсько-політичні погляди Антуана Лавуазьє, з ім′ям якого

пов’язана наукова

революція у хімії, не можна назвати передовими і

тими, що відповідають його новаторській науковій діяльності.

Діяльність Лавуазьє поєднував з типовими для крупного буржуа

фінансовими справами. До революції, яка розпочалась у 1789 р., він

ставився негативно. Проводячи величезну наукову роботу у

Паризькій академії наук, він одночасно з 1768 р. став пайщиком

відкупу по збиранню

податків від населення. Отримуючи величезні

бариші, пайщики відкупу були зненависні населенню.

За зв′язки з роялістами Лавуазье в числі 28 відкупщиків податків

був засуджений до страти революційним трибуналом. 8 травня 1794

р. ніж гільотини перервав життя одного з найвеличніших учених

ХVІІІ cт. Якобінці не взяли до уваги наукові його заслуги. «Потрібно

було

одну мить, щоб відрубати цю голову, але, мабуть, і століття

буде мало, щоб створити їй подібну». Так сказав один із сучасників

Лавуазьє.

Боротьба з безплідною теорією флогістону розпочата Лавуазье у

1772 р., коли стало відомо, що вогонь руйнує алмаз. При сильному

нагріванні за допомогою запального скла він остаточно зникає.

Лавуазьє довів,

що алмаз не згорає, створюючи вуглекислий газ. Ним

уведено в науку суворi кількісні методи дослiдження. Своїми

експериментальними роботами по спаленню сiрки і фосфору,

нагрiванню олова у запаянiй

посудинi він спростував теорiю

флогістону.

Лавуазье перший з хіміків

сформулював положення, що

остаточно зруйнували теорію

флогістону. Ці положення

містяться

у чотирьох тезах,

опублікованих ним у 1777 р. у

книзі «Про горіння взагалі». Тут

він описав явища, що постійно

144

Таблиця простих тіл

А.Л.Лавуазьє

спостерігаються при горінні. Що це за явища?

1. Відділення світла із вогню.

2. Горіння здійснюється у «чистому повітрі» (тобто, кисні).

Лавуазьє правильно зрозумів природу нового газу, що відкритий

Джозефом Прістлі у 1774 р.

3. Вага речовини, що згоріла, збільшується точно на вагу

повітря, яке вона поглинає.

4. При згоранні неметалевих речовин утворюються кислоти, а

при випалі металів – металеві вапна (оксили – «землі»).

Дослiдницьким шляхом вчений одержав кисень, встановив його

походження як хiмiчного елемента i здатнiсть сполучатись з

фосфором і сiркою при спаленнi i з металом – при випалi. Лавуазьє

довів складнiсть атмосферного повiтря, яке мiстить кисень i

«задушливий газ» (азот). Своїми

роботами французьий вчений,

кажучи словами Енгельса, «вперше поставив на ноги хімію, яка у

своїй флогістонній формі стояла на голові».

Лавуазьє разом з французьким математиком Жаном Менье у

1783 р. термічним шляхом розклав воду. Таким чином було

доведено, що речовина, яка є всюди у природі, містить водень

(«пальне повiтря») і

кисень у співвідношенні 2:1. Обидва вчені

синтезували воду з кисню і водню. Так флогістон було «вигнано» з

води. Лавуазьє заявив: «Визначення ваги похідних речовин і

продуктів до і після дослідів - основа всього корисного, що може

бути зроблено у хімії». Точності зважування він надавав великого

значення. Пізніше Д.І.Менделєєв скаже: хімія тільки

тоді стала

точною наукою, коли взяла в руки ваги. Ваговий метод допоміг

Лавуазьє чітко сформулювати закон збереження матерії: «...в усякій

операції кількість матерії одинакова до і після досліду». При цьому

«кількість і якість начал залишаються тими ж самими», з ними

«відбуваються тільки зміни і видозміни». Під началом Лавуазьє

розумів

хімічні елементи. У

«початковому курсі хімії», що

опублікований у 1789 р. він дав

визначення поняття «хімічний елемент»:

«...усі речовини, які ми ще не змогли ніяк

розкласти, є для нас елементами». У цій

же книзі є «Таблиця простих тіл». Це

була перша класифікація хімічних

елементів, як відомих, так і невідомих.

Крім простих

тіл, таблиця містила ряд

«складних тіл» (земель), які містять ще не відкриті елементи.

Відмітимо, що з відкриттям «Таблиці простих тіл» виявлення

нових елементів пішло лавиною. У першій половині ХІХ ст. відкриті:

145

Однією з перших була

запропоновна воднева

шкала атомних ваг

Джон Дальтон

натрій, калій, кальцій, барій, алюміній, кремній та інші. Так чи

інакше, але вони співвідносились з «Таблицею» Лавуазьє.

Французький вчений заклав основи аналізу органічних сполук.

Це значною мірою сприяло формуванню органічної хімії як

самостійного розділу хімічних знань. Лавуазьє по праву можна

назвати «батьком сучасної хімії», відкриття якого підтвердили

причетність хімічних процесів до

функціонування живих організмів.

Фізіологи ХІХ ст. намагались використати механістичний метод для

опису функцій організму, зокрема, травлення їжі і обміну речовин

(після застосування У.Гарвеєм картезіанського механіцизму до

феномена кровообігу). Лавуазьє довів, що процес дихання є не що

інше, як процес горiння і утворення вуглекислого газу. Останній при

диханнi є

головним джерелом теплоти у живому органiзмi. Лавуазьє

створив цiлий ряд оригінальних конструкцiй приладiв. Опублiкував

«Елементарний курс хімії», декiлька робіт з хiмії. Є одним із

засновникiв журналу "Annales de Chemie" (Історiя хiмiї).

Киснева теорія Лавуазьє, як і наступні біологічні та фізичні

відкриття ХІХ

ст., не мала широкого «виходу» в техніку і у практику

взагалі. Для цього за життя Лавуазьє ще не настав час.

Ми розглянули основнi досягнення протягом багатьох століть,

якi створили передумови для стверджнення хiмiї як самостiйної

галузі серед природничих наук. Коротко познайомились з окремими

авторами, праці яких сприяли

формуванню класичної хімії. Вони

сприяли революційним перетворенням у природознавстві, що

відбулись на рубежі ХІХ–ХХ ст., стали прологом для створення

складного організму новiтньої хімiї, досягнення якої ми

спостерігаємо наприкінці ХХ – на початку ХХІ століть.

ХІМІЯ У ХІХ СТОЛІТТІ

Формування атомно-молекулярної теорії

З початку ХІХ ст. численні

експерименти з речовинами

тваринного і рослинного походження,

їх аналіз показали, що вони складаються з

величезного числа одних і тих же

елементів: вуглецю, водню, кисню, азоту

і деяких інших. Це було вагомим

аргументом для

введення у 1806 р.

шведським хіміком

Йєнсом Якобом

Берцеліусом

146

Фрідих Вьолер

Олександр Михайлович

Бутлеров

Якоб Берцеліус

поняття «органічна хімія».

ХІХ ст. знаменне рядом фундаментальних теорій як у фізиці, так

і у хімії. У фізиці воно відзначається розробкою молекулярно-

кінетичної теорії. Закономірності перетворення енергії з одного виду

до іншого пояснювались з використанням поняття молекули. Хімії ж

для опису складу сполучень і хімічних реакцій також необхідно було

мати конкретний

матеріальний об’єкт. Таким об’єктом став атом.

У перші роки ХІХ ст. англійський вчений Джон Дальтон (1766–

1844 рр.) сформулював основні принципи атомістики. З неї

починається нова епоха в хімії, так висловився Єнгельс (а ми раніше

відмітили, що з Лавуазьє). У фізиці, відповідно до цього – з

молекулярної теорії.

Дальтон стверджував, що

усі речовини складаються з обмеженої

кількості часток. Це ї є сучасна атомістична теорія. Але пройшло

майже 100 років після її встановлення, коли фізики довели, що

«неподільна частинка» речовини є надзвичайно складною системою.

Тут важливо підкреслити, що введене у 1803–

1804 рр. Дальтоном фундаментального

поняття атомної ваги – фактично першого

кількісного параметра, який характеризує

атом, – стрімко кристалізувало атомно-

молекулярне вчення. Важливими віхами на

цьому шляху були:

газові закони, встановлені французьким

вченим Гей-Люссаком (1802–1808 рр.)

таіталійцем Аледео Авогадро (1811 рр.);

закон теплоємності, сформульований

французькими вченими П’єром Дюлонгом і Алексі Пті (1819 р.);

відкриття явища ізоформізму, виявлене німецьким хіміком

Ейльхардом Мічерліхом (1819 р.).

До цього додамо гіпотезу лікаря Англії

Уільяма Праута, згідно

якої всі хімічні елементи утворені з «первинної матерії» - атома

водню з атомною вагою 1.

У розвитку

атомно-

молекулярного

вчення, як і хімії в

цілому, велику роль

відіграв шведський

хімік Берцеліус

(1779–1848 рр.).

Видатний хімік і

історик науки Пауль

Вальден (1863–1957

147

рр.) так охарактеризував діяльнісь вченого Швеції: «Берцеліус

включив до свого будівельного плану неорганічну і органічну хімію,

аналітичну і мінералогічну, фізіологічну і електрохімію. Він дав

будівельний матеріал, досліджуючи хімічні елементи, число яких

збільшив новими відкриттями. Він заклав фундамент, розташувавши

атоми за розміром, числом і вагою, і зв’язав їх електричними силами.

Він

більше, ніж хто до нього, сприяв заснуванню століття кількісної

хімії. Він залишив цьому століттю мову символів, цінні нові поняття

і нових майстрів хімії».

На фундаменті атомно–молекулярної теорії зводилась будівля

класичної хімії. Шведський дослідник розробив злагоджену систему

атомних ваг. З великою точністю визначив значення багатьох з них.

До нього фактично

були відсутні загальноприйняті позначення

елементів. Склад сполук і хід реакцій хіміки описували словесно,

причому, різними мовами. Берцеліус створив міжнародну хімічну

мову: він увів літерні позначення латинських назв елементів.

Запропоновані ним символи майже без змін збереглися до нашого

часу.

Чотири хімічних елементи відкрив сам Берцеліус: церій, серен,

кремній і торій. Він майстерно

володів методами хімічного аналізу.

Був неперевершеним знавцем мінералів і розробив їх оригінальну

класифікацію. Згодом її застосував В.І.Вернадський у лекціях з

мінералогії.

Берцеліус є автором електрохімічної (дуалістичної) теорії:

кожна хімічна сполука складається з двох частин – позитивно і

негативно зарядженої. За життя вченого ця теорія критикувалась. На

початку ХХ ст.

вона відродилась у вигляді електронних теорій

хімічного зв’язку.

Ще раз відмітимо, що атомно-молекуляна теорія Берцеліуса

стала основою самих різних досліджень середини ХІХ ст., які врешті-

решт привели до становлення класичної хімії. Уводячи поняття

«органічна хімія», Берцеліус був свідомим прихильником того, що

органічні речовини створюються тільки у рослинних і

тваринних

організмах під дією якоїсь «життєвої сили». На його думку, штучно

можуть бути отримані тільки неорганічні речовини. Ці помилкові

уявлення гальмували розвиток органічної хімії. Але у 1928 р.

німецький хімік Фрідрих Вьолер вперше штучним шляхом отримав

природну органічну речовину мочевину з неорганічної солі. Ця подія

відкрила дорогу до синтезу різних органічних сполук

У 1861 році органічна хімія вступила в нову епоху. 19 вересня

1861 року російський вчений О.М.Бутлеров виступив на з’їзді

німецьких природодослідників і лікарів у місті Шпрее. У своїй

доповіді він дав нове визначення поняття «хімічна побудова»,

сформулював основні положення нової теорії хімічної побудови і

148

Дмитро Іванович Менделєєв

Станіслао Канніццаро

Амедео Авогадро

запропонував способи відображення у формулах хімічної побудови

речовин, чим фактично заклав основи сучасної теоретичної

органічної хімії. Мова хімічних формул, якою сьогодні користуються

сотні тисяч вчених в усьому світі, розроблена О.М.Бутлеровим.

Народження періодичної системи елементів

В історії науки важливе

місце належить діяльності

першого в історії Міжнародного

Конгресу хіміків у

Карлсруе. Сюди

у вересні 1860 р. з’їхались біля 140

вчених-хіміків. Ініціатором їх

скликання був німецький хімік-

органік Фрідрих Август Кекуле.

Головні питання, які вирішувались

на Конгресі:

про відмінність атомів і

молекул;

про атомні і молекулярні ваги;

про формули хімічних сполук.

Конгресу

потрібно було

зробити вибір

між вченням

увінчаного

славою

Лавуазье

Дальтона і

Берцеліуса та

теорією двох

французьких вчених-хіміків Шарля

Фредерика Жерара і Огюста Лорана. Тут

вперше було внесено ясність в існуючу на

той час путанину понять. Конгрес підтримав Жерара і Лорана у їх

трактовках, що таке атомна вага, що атом і молекула не одне і те ж.

Що молекула

може містити як різнородні, так і однородні атоми.

149

Кабінет Менделєєва

Д.Менделєєва, який разом з

вченими-хіміками М.М.Зініним і

О.П.Бородіним прибув на Конгрес,

захопив і вразив гарячий,

темпераментний виступ італійського

хіміка Станіслао Канніццаро. Згодом

Менделєєв писав: «Рішучим моментом у

розвитку моєї думки про періодичний

закон я вважаю 1860 р., з’їзд хіміків у

Карлсруе, в якому я брав

участь, і на

цьому з’їзді ідеї, висловлені італійським

хіміком С.Канніццаро. Його я і вважаю

справжнім моїм попередником, тому що

встановлені ним атомні ваги дали

необхідну точку опору. Я зразу ж тоді

помітив, що запропоновані ним зміни

атомних ваг вносять... нову

гармонійність, і ідея можливої

періодичності властивостей елементів при

зростанні атомної ваги, по

суті, вже тоді мені уявлялась внутрішньо. Мене зупинили, однак,

невідповідності, що залишились у прийнятих тоді атомних вагах;

ясно залишилось тільки переконання, що в даному напрямку треба

працювати».

У книзі «Основи хімії» Менделєєв яскраво описав атмосферу

першого в історії Конгреса хіміків: «Будучи присутнім на цьому

Конгресі, я добре

пам’ятаю, яка велика була розбіжність...і як тоді

послідовники Жерара, на чолі яких став італійський професор

Канніццаро, гаряче проводили висновок закону Авогадро. При

пануванні наукової свободи (без неї наука не рухалась б вперед,

закам’яніла б, як у сереньовіччі) і при необхідності наукового

консерватизму (без нього корені минулого не

могли б давати нових

плодів) істина...за допомогою Конгресу, отримала більш широке

розповсюдження і незабаром підкорила всі уми. Тоді самі собою

укоренились, так звані жераровські ваги атомів і уже з 70-х років

вони увійшли до загального використання».

Періодична система елементів Менделєєва... Хіміки дивуються її

красі і витонченості, майбутні спеціалісти – студенти – складності

заплутаності зв’язків між побудовою атомів і властивостями

елементів. А школярі – великій

кількості інформації, яка

міститься всього на одній

сторінці.

Дійсно, у кожній з понад

ста чашечок вказані і

150

міжнародний символ елемента, і його назва, і порядковий номер, і

відносна атомна вага. У повних варіантах таблиці містяться і інші

відомості: кольором виділяють причетність елемента до того чи

іншого сімейства, вказують будову електронних оболонок, наводять

властивості простих речовин і тип їх кристалічної структури.

Сучасне обличчя таблиці створене тривалою і напруженою працею

тисяч і тисяч хіміків і фізиків. Менделєєв міг би повторити слова

англійського вченого Дж.У.Меллора, який після закінчення

багаторічної роботи над своєю 16-томною енциклопедією з

неорганічної хімії написав на обкладинці: «Присвячується рядовим

великої армії хіміків. Їх імена забуті, їх праця залишилась...».

Дійсно, дуже мало знають, хто і який внесок,

нехай і

невеличкий, зробив у заповнення чашечок таблиці. Коріння цього

великого відкриття сягають у глибину століть, в Античність, коли

було сформульовано перші ідеї про атоми. Періодичний закон, як

назвав його Менделєєв, органічно поєднав у нерозривне ціле три

головні досягнення хімії за весь її попередній період:

вчення про елементи – дитя «вогневої хімії

»;

вчення про атоми – дитя «газової хімії»;

вчення про валентність – дитя «електричної хімії».

Через 18 днів після великого відкриття доповідь

«Співвідношення властивосей з атомною вагою елементів» прочитав

від імені Менделєєва на засіданні російського хімічного товариства

професор Петербурзького університету М.О.Меншуткін. З доповіді

вчені довідались, що відкритий Менделєєвим закон надає можливість

не

тільки підійти по–новому до вивчення відомих елементів і

виправити не точні атомні ваги. Але і, що дуже важливо, дозволяє

передбачити існування ще невідкритих елементів. Періодичний закон

стверджує: якщо існує елемент з властивостями яскраво вираженого

металу, то обов’язково повинен існувати й інший – з менш різкими

металічними властивостями металу і

т.д. А якщо деякі з членів цієї

природної послідовності відсутні, то це не тому, що вони відсутні у

природі, а тільки тому, що вони ще не відкриті. Д.Менделєєв ще до

засідання російського хімічного товариства розіслав російською і

французькою мовами друкарський відбиток своєї таблиці «Дослід

системи елементів, заснованої на їх

атомній вазі і хімічній схожості»

багатьом російським і іноземним вченим.

Іноземні вчені не зрозуміли значення періодичного закону і

повністю ігнорували роботу Д.Менделєєва. У 1870 р. з′явився

перший відгук на відкриття російського вченого. Відомий німецький

хімік професор Лотар Мейєр опублікував статтю, де виклав короткий

огляд роботи Менделєєва. Він оцінив періодичний

закон як підмогу

для систематизації відомого хімікам матеріалу. Зробивши декілька

зауважень про атомні ваги деяких елементів, Мейєр написав, що було