Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Основные этапы развития химии

Введение

Одной из целей нашего экскурса в историю химии было показать ее специфику как науки. Еще Д.И. Менделеев обратил внимание на то, что химия, в отличие от многих других наук (например, биологии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству в основном для того, чтобы получать из веществ природы по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и фармацевтические препараты, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами. Поэтому все химические знания, приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии. Это задача получения веществ с необходимыми свойствами. Но это - производственная задача, и, чтобы ее реализовать, надо уметь из одних веществ производить другие, то есть осуществлять качественные превращения вещества. А поскольку качество - это совокупность свойств вещества, надо знать, от чего зависят свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную задачу, химия должна решить теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает двуединая проблема - получения веществ с заданными свойствами (на достижение чего направлена производственная деятельность человека) и выявления способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научно-исследовательская деятельность).

История химии изучает и описывает сложный процесс накопления специфических знаний, относящихся к изучению свойств и превращений веществ. При изучении истории развития химии возможны 2 взаимно дополняющих подхода: хронологический и содержательный.

При хронологическом подходе историю химии принято подразделять на несколько периодов.Большинство историков химии выделяют следующие этапы её развития:

1.Предалхимический период:до III в. н.э.

В предалхимическом периоде теоретический и практический аспекты знаний о веществе развивались относительно независимо друг от друга. Происхождение свойств вещества рассматривала античная натурфилософия, практические операции с веществом являлись прерогативой ремесленной химии.

2. Алхимический период: III-XVIIвв.

Алхимический период разделяется на три подпериода – александрийскую(греко-египетскую), арабскую и европейскую алхимию.

Алхимический период- это время поисков философского камня, считавшегося необходимым для осуществления трансмутации металлов. В этом периоде происходило зарождение экспериментальной химии и накопление запаса знаний о веществе; алхимическая теория, основанная на античных философских представлениях об элементах, была тесно связана с астрологией и мистикой. Наряду с химико-техническим "златоделием" алхимический период примечателен также и созданием уникальной системы мистической философии.

3. Период становления (объединения): XVII – XVIII вв.

В период становления химии как науки произошла её полная рационализация. Химия освободилась от натурфилософских и алхимических взглядов на элементы как на носители определённых качеств. Наряду с расширением практических знаний о веществе начал вырабатываться единый взгляд на химические процессы и в полной мере использоваться экспериментальный метод. Завершившая этот период химическая революция окончательно придала химии вид самостоятельной (хотя и тесно связанной с другими отраслями естествознания) науки, занимающейся экспериментальным изучением состава тел.

4. Период количественных законов (атомно-молекулярной теории): 1789 – 1860 гг.

Период количественных законов, ознаменовавшийся открытием главных количественных закономерностей химии – стехиометрических законов, и формированием атомно-молекулярной теории, окончательно завершил превращение химии в точную науку, основанную не только на наблюдении, но и на измерении.

5. Период классической химии: 1860 г. – конец XIX в.

Период классической химии характеризуется стремительным развитием науки: были созданы периодическая система элементов, теория валентности и 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.

6. Современный период: с начала XX века по настоящее время

В начале ХХ века произошла революция в физике: на смену системе знаний о материи, основанной на механике Ньютона, пришли квантовая теория и теория относительности. Установление делимости атома и создание квантовой механики вложили новое содержание в основные понятия химии. Успехи физики в начале XX века позволили понять причины периодичности свойств элементов и их соединений, объяснить природу валентных сил и создать теории химической связи между атомами. Появление принципиально новых физических методов исследования предоставило химикам невиданные ранее возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества. Всё это в совокупности обусловило в числе прочих достижений и блестящие успехи биологической химии второй половины XX века – установление строения белков и ДНК, познание механизмов функционирования клеток живого организма.

Концептуальные системы химии

Содержательный подход к истории химии основывается на изучении того, как изменялись со временем теоретические основы науки. Вследствие изменений в теориях на всём протяжении существования химии постоянно менялось её определение. Химия зарождается как "искусство превращения неблагородных металлов в благородные"; Менделеев в 1882 г. определяет её как "учение об элементах и их соединениях". Определение из современного школьного учебника в свою очередь значительно отличается от менделеевского: "Химия – наука о веществах, их составе, строении, свойствах, взаимных превращениях и законах этих превращений".

Следует отметить, что изучение структуры науки мало способствует созданию представления о путях развития химии в целом: общепринятое деление химии на разделы основано на целом ряде различных принципов. Деление химии на органическую и неорганическую произведено по различию их предметов (каковое различие, кстати, может быть правильно понято только при историческом рассмотрении). Выделение физической химии основано на её близости к физике, аналитическая химия выделена по признаку используемого метода исследования. В целом общепринятое деление химии на разделы является в значительной степени данью исторической традиции; каждый раздел в той или иной степени пересекается со всеми остальными.

Основной задачей содержательного подхода к истории химии является, говоря словамиД. И. Менделеева, выделение "неизменного и общего в изменяемом и частном". Таким неизменным и общим для химических знаний всех исторических периодов является цель химии. Именно цель науки – не только теоретический, но и исторический её стержень.

Целью химии на всех этапах её развития является получение вещества с заданными свойствами. Эта цель, иногда именуемая основной проблемой химии, включает в себя две важнейших задачи – практическую и теоретическую, которые не могут быть решены отдельно друг от друга. Получение вещества с заданными свойствами не может быть осуществлено без выявления способов управления свойствами вещества, или, что то же самое, без понимания причин происхождения и обусловленности свойств вещества. Таким образом, химия есть одновременно и цель и средство, и теория и практика.

Теоретическая задача химии имеет ограниченное и строго определённое число способов решения, которые задаются структурной иерархией самого вещества, для которого можно выделить следующие уровни организации:

1. Субатомные частицы.

2. Атомы химических элементов.

3. Молекулы химических веществ как унитарные (единые) системы.

4. Микро- и макроскопические системы реагирующих молекул.

5. Мегасистемы (Солнечная система, Галактика и т.п.)

Объектами изучения химии является вещество на 2 – 4 уровнях организации. Исходя из этого, для разрешения проблемы происхождения свойств необходимо рассмотреть зависимость свойств вещества от трёх факторов:

1. От элементарного состава;

2. От структуры молекулы вещества;

3. От организации системы.

Таким образом, иерархия изучаемых материальных объектов предопределяет иерархию т.н.концептуальных систем химии – относительно самостоятельных систем теорий и методологических принципов, используемых для описания и изучения свойств вещества на каком-либо уровне организации. Обычно выделяют три концептуальных системы, а именно:

1. Учение о составе;

2. Структурная химия;

3. Учение о химическом процессе.

Учение о составе возникло значительно раньше двух других концептуальных систем – уже в античной натурфилософии появляется понятие об элементах как о составных частях тел. Научная химия воспринимает это учение, но уже основанное на принципиально новых представлениях об элементах, как о неразложимых далее телах (частицах), из которых состоят все "смешанные тела" (соединения). Основной тезис учения о составе состоит в следующем:свойства вещества определяются его составом, т.е. тем, из каких элементов и в каком их соотношении образовано данное вещество. Объектом учения о составе является вещество как совокупность атомов.

Структурная химия, появившаяся в первой половине XIX-го века, исходит из следующего тезиса: свойства вещества определяются структурой молекулы вещества, т.е. её элементным составом, порядком соединения атомов между собой и их расположением в пространстве. Причиной появления структурной химии стало открытие явлений изомерии и металепсии , которые не могли быть объяснены в рамках существующих понятий. Для объяснения этих экспериментальных фактов предлагаются новые теории; объектом структурной химии становится молекула химического вещества как единое целое. Применительно к химической практике появление новой концептуальной системы означало в данном случае ещё и превращение химии из науки преимущественно аналитической в науку синтетическую.

Учение о химическом процессе, сформировавшееся во второй половине XIX столетия, исходит из посылки, что свойства вещества определяются его составом, структурой и организацией системы, в которой это вещество находится. Учение о процессе выделяется в самостоятельную концепцию химии, когда накапливаются экспериментальные факты, указывающие на то, что законы, управляющие химическими реакциями, не могут быть сведены к составу вещества и структуре его молекулы. Знания состава вещества и структуры молекул часто оказывается недостаточно для предсказания свойств вещества, которые в общем случае обусловлены ещё и природой сореагентов, относительными количествами реагентов, внешними условиями, в которых находится система, наличием в системе веществ, стехиометрически не участвующих в реакции (примесей, катализаторов, растворителя и т.п.). Предметом изучения химии на этом уровне становится вся кинетическая система, в которой состав вещества и структура его молекул представлены лишь как частности. Эмпирические понятия химического сродства и реакционной способности получают теоретическое обоснование в химической термодинамике, химической кинетике и учении о катализе. Создание учения о химическом процессе дало возможность решить важнейшие практические вопросы управления химическими превращениями, внедрить в химическую технологию принципиально новые процессы.

Иногда выделяется ещё одна концептуальная система – эволюционная химия, представляющая собой, по мнению сторонников такого подхода, учение о высших формах химизма и о химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.

Таким образом, в рамках содержательного подхода история химии может быть рассмотрена как история возникновения и развития концептуальных систем, каждая из которых представляет собой принципиально новый способ решения основной задачи химии. Следует отметить, что указанные концептуальные системы не противоречат друг другу и не сменяют одна другую, но являются взаимно дополняющими.

История открытия периодического закона. Периодический закон Д.И. Менделеева и периодическая система.

История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее развитие происходило беспорядочно и хаотически. Химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства, способность вступать в различные реакции и благодаря этому постепенно накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Логическим завершением всего многовекового процесса возникновения и развития химии стал первый международный химический конгресс, который состоялся в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. На конгрессе присутствовали самые знаменитые химики того времени. Проведение конгресса в Карлсруэ имело большое значение для развития химии. На нем были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые не вызывали никаких сомнений у участников. Тем самым химия заявила о себе де факто как о самостоятельной науке.Однако гораздо большее значение имели научные результаты и последствия конгресса. К 60-м годам прошлого столетия в химии еще сохранилась путаница с атомными и молекулярными весами, что не позволяло точно решить вопрос о системе элементов и отрицательно сказывалось на развитии самой химии. Разногласия по поводу относительных атомных весов, приписываемых атомам различных элементов привели к разногласиям в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу. Ученые неоднократно предпринимали попытки придать этим проблемам системный вид, но их предложения были весьма несовершенными, потому что в качестве системообразующих факторов брались чаще всего несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.

Инициатором обсуждения и решения данной проблемы стал итальянский химик Станислав Канниццаро, который предложил разграничить понятия «атомный вес», «молекулярный вес» и «эквивалентный вес». На конгрессе Канниццаро произнес яркую речь, и ему удалось убедить участников в правильности предлагаемых им идей. С этого момента в вопрос об атомных весах была внесена ясность и было по достоинству оценено значение таблицы атомных весов, составленной Берцелиусом.

Применительно ко всей химии это решение означало возможность договориться об эмпирических формулах соединений и продолжить изучение строения молекул, уточняя расположение атомов сначала в плоскости, а затем в пространстве. Кроме того, решения конгресса, по сути дела, подготовили условия для создания периодической системы элементов.

Основоположником системного подхода в химии стал русский химик Дмитрий Иванович Менделеев. Во время работы конгресса он находился в Германии и работал над диссертацией. Он, естественно, был участником конгресса и слышал выступление Канниццаро, в котором тот четко изложил свою точку зрения на проблему атомного веса. Вернувшись в Россию, Менделеев приступил к изучению элементов и обратил особое внимание на периодичность изменения валентности у элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов.

Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему, в основе которой должен быть единый систематизирующий фактор. В качестве такого фактора он выбрал атомный вес, полагая, что последний является главной характеристикой всех химических элементов.

Основываясь на увеличении и уменьшении валентности элементов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил элементы на периоды (отсюда название «периодическая система элементов»). Первый период включает только один водород, затем следуют два периода по семь элементов в каждом, а затем периоды, содержащие более семи элементов. Такая периодическая система элементов была яснее и нагляднее, чем график. Благодаря форме таблицы мировое сообщество ученых отдало приоритет открытия периодической системы именно Менделееву, а не другим ученым, которые к тому времени также систематизировали элементы, но в других формах.

Во времена Менделеева было известно всего 62 химических элемента. Поэтому в таблице оказались пустые клетки (пробелы). Наличие этих пробелов он объяснил не несовершенством самой таблицы, а тем, что соответствующие элементы пока еще не открыты. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и их свойства оказались именно такими, как предсказал Менделеев.

Хотя классификация Менделеева была выдающимся научным достижением, получила широкое распространение и стала подлинно научной системой химических знаний, она не была идеальной и совершенной. Первый недостаток таблицы заключался в том, что водород как одновалентный элемент был помещен в начале I группы. Однако химики тогда еще не пришли к единому мнению относительно того, следует ли помещать водород в эту группу, так как водород не похож в химическом отношении на другие элементы этой группы. Этот и ряд других недостатков таблицы позволил нескольким ученым внести в нее усовершенствования, последнее из которых было сделано после открытия явления радиоактивности.

По мере совершенствования периодическая система элементов завоевывала у химиков всеобщий авторитет, так как объясняла многие факты, а самое главное, указывала на существование глубокой зависимости между различными элементами, выводила свойства химических элементов из их порядкового номера в таблице Менделеева.

К середине XIX в. было известно более 60 химический элементов. Естественно, что предпринимались попытки их классифицировать. Еще в 1829г. Доберейнер предложил ввести триады, т.е. сгруппировать элементы по 3 с близкими свойствами, например Cl, Br, I. Однако, Доберейнер смог найти всего 4 триады.

В 1849г. Гесс предложил свою классификацию, недостатком которой было то, что он классифицировал только неметаллы.
В 1862г. Шанкуртуа предложил расположить элементы по спирали, нанесенной на цилиндр. При этом элементы со сходными свойствами располагались друг под другом, но эта попытка осталась не замеченной.
В 60-х гг. XIXв. Ньюлекс предложил правило активации.

В 1864г. Лотер Мейер предложил систему элементов, которая практически соответствовала периодической системе. Заслуга Менделеева в том, что в отличии от всех своих предшественников в основу своей классификации он положил открытый им периодический закон, а периодическая система является просто удобной графической интерпретацией. В отличие от своих предшественников Менделеев не только расположил элементы в определенном порядке, но и предсказал свойства тех элементов, который к моменту открытия периодического закона были еще неизвестны. Он оставил в своей таблице пустые клетки для неоткрытых еще в то время новых химических элементов.
Эти элементы были названы: экаалюминий, экабор, экасилиций. Менделеев не только указал на существование этих элементов, но и предсказал их химические и физические свойства, например для экаборов он вычислил атомную массу = 44. Расчет был довольно простой – это среднее арифметическое масс соседних элементов, т.к. экабор был аналогом бора, то соединение – Э₂О₃. Прошло около 6 лет после того, как Менделеев опубликовал статьи, в которых обосновывал периодический закон и предсказывал свойства новых элементов. И французский ученый Лекок-Де-Буабодран сообщил об открытии элемента, который он назвал в честь своей страны – Галлий (старое название Франции).
В 1879г. Нильсон открыл скандий, свойства и этого элемента также полностью совпали с предсказаниями Менделеева.
В 1886г. Винклер открыл Германий. Еще до открытия периодической системы в 1868г. Локьер и Жанеен, исследуя спектр излучения солнца сообщили, что ими открыт новый химический элемент, который они назвали гелией – Не.
В начале 90-х гг. XIXв. Ролей и Рамзай обнаружили, что азот, выделенный из воздуха, имеет большую массу, чем азот, полученный разложением химических соединений в лаб опытах. Оказалось, что в воздухе содержится примесь неизвестного газа, который не вступает в химическое взаимодействие. Назвали его аргон (ленивый).
Вскоре выяснилось, что при разложении урана или тория выделяется гелий, ранее открытый на солнце. А затем в течении нескольких лет были открыты: неон, криптон, ксенон, радон. Всем этим элементам не находили место в периодической системе.
Вторым противоречием было наличие так называемых лантаноидов, которые было очень трудно расположить в пер. табл., поскольку, если после лантана поставить церий, он должен быть похож на гафний, т.е. его хим. св-ва должны совпадать с расположенным выше цирконием, однако, реально, это на наблюдается, еще меньше общего у неодима и празеодима, в тоже время лантаноиды очень близки друг к другу.
Чешский химик Браунер даже предлагал поместить все лантаноиды в одну клетку пер. сист. вместе с лантаном. Однако это противоречило основному принципу Менделеева, согласно которому, каждому элементу соответствует своя клетка. Для того, чтобы упорядочить расположить вновь открытые химические элементы в периодической системе, было предложено добавить нулевую или 8-ю группы, куда и были помещены все эти элементы, несколько сложнее было решить вопрос с расположением в таблице лантаноидов. И только после того, как в химии были внедрены квантово-механические понятия о строении атома, удалось объяснить, почему лантаноиды являются элементами с близкими друг к другу свойствами. Это связано с тем, что у лантаноидов идет заполнение 4f подоболочки. В классическом варианте периодической системы лантаноиды вынесены в отдельную строку, а рядом с ними помещены актиноиды, т.е. элементы, у которых заполнено 5f подуровней. По структуре п. с. состоит из групп и периодов, к какой группе относится элемент, определяется для s и p элементов числом электронов на внешнем уровне. А для d-на внешнем и предвнешнем. Кроме того, в таблице существуют так называемые триады переходных элементов, которые по традиции помещают в 8 группу (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Pt). Практически все свойства химических элементов изменяются периодически. К примеру, энергия ионизации (энергия, необходимая для отрыва электрона от атома) меняется следующим образом: →H, He, Li, Be, B, C, N, O, F, Ne, Na→.
Аналогичным образом изменяются многие другие свойства, например радиусы атомов в начале каждого периода имеют максимальное значение, а к концу минимальное. Однако, следует отметить, что существует так называемое явление вторичной периодичности. Оно было открыто Бироном в 1915г. Заключается это явление в том, что в больших периодах возможна не линейная зависимость радиуса атома от порядкового номера, так например индий имеет радиус отличный от радиуса кадмия, а галлий отличается от цинка. Теоретически радиус галлия должен быть меньше, чем радиус цинка, но на практике он несколько больше. Это связано с тем, что у галлия появляется электрон на d-оболочке.
Другой пример немонотонного изменения свойств – это изменение энергии разрыва химической связи в молекуле галогена: E (кДж/моль) →F₂, (нет d-подуровня) | Cl₂, Br₂, I₂(участвуют 2 электр. и между ними большое расстояние, легче разорвать).

Заключение

Список литературы

Азимов.А Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии.-М.:Мир, 1983
Джуа М. История химии.- М.:Мир,1996.
Рабинович В.Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. М.,1979. Ч.1.
Солоьев Ю.И. История химии. Развитие химии с древнейших времен до конца XIX века.-М.:Просвещение,1983
Солоьев Ю.И., Трифонов Д.Н., Шамин А.Н. История химии. Развитие направлений современной химии.-М.:Просвещение,1984
Фигуровский Н.А. История химии.-М.:Просвещение,1979.

Основные этапы развития химии 📙 Реферат → 🆔 182596