История развития науки химии

     Развитие  философии и естествознания в  эпоху Возрождения привело к  глубокому кризису аристотелевской  картины мира и поставило задачу выработки отражающей реальные свойства действительности физической концепции, а потребности технического прогресса  привели к созданию основ научного эксперимента. Быстрому развитию в  Европе новых философских систем способствовала также и Реформация, начавшаяся в XVI веке.

     Сочетание социально-экономических и технических  факторов вызвало сдвиг в общественном сознании, усилило потребность в  выработке новой философии, отрицавшей роль авторитета (как религиозных  доктрин, так и античных учений) и  утверждавшей приоритет научного доказательства. В начале XVII века появились крупные  философские произведения, оказавшие  существенное влияние на развитие естествознания. Английский философ Френсис Бэкон  выдвинул тезис о том, что решающим доводом в научной дискуссии  должен являться эксперимент. Вместо принятого  с античных времён дедуктивного метода Бэкон предложил новую логику науки – индукцию, основанную на умозаключении от частного к общему (весьма символичными являются названия сочинений Бэкона – "Новый органон" (1620) и "Новая Атлантида", прямо  противопоставляемые "Органону" и "Атлантиде" Аристотеля).

     Семнадцатый век в философии ознаменовался  также возрождением атомистических представлений. Математик (основатель аналитической геометрии) и философ  Рене Декарт, известный также как  Картезий, утверждал, что все тела состоят из корпускул различной формы и размеров; форма корпускул связана со свойствами вещества. В то же время Декарт считал, что корпускулы делимы и состоят из единой материи. Декарт отрицал представления Демокрита о неделимых атомах, движущихся в пустоте, не решаясь допустить существование пустоты. Корпускулярные идеи, весьма близкие к античным представлениям Эпикура, высказывал и французский философ Пьер Гассенди. Группы атомов, образующие соединения, Гассенди называл молекулами (от лат. moles – кучка). Корпускулярные представления Гассенди завоевали довольно широкое признание среди естествоиспытателей.

     Инструментом  разрешения противоречия между высоким  уровнем технологии и крайне низким уровнем знаний о природе стало  в XVII веке новое экспериментальное  естествознание.

     Новое естествознание породило и новые  организационные формы – были созданы научные общества и академии наук. Ещё в 1560 г. итальянский естествоиспытатель Джиованни Баттиста делла Порта начал проводить в своём доме регулярные собрания, называемые Академией тайн природы. В XVII в. появились официально учреждённые академии с соответствующими органами и статутом: Академия естествоиспытателей (Леопольдина) в Германии (1652), Академия опыта во Флоренции (1657), Королевское общество (1662) в Лондоне, Парижская Академия точных наук (1663).

     Одним из следствий произошедшей во второй половине XVII века научной революции  явилось создание новой – научной  – химии. Создателем научной химии  традиционно считается Роберт Бойль.

Роберт  Бойль и возникновение  научной химии

     Британский  учёный Роберт Бойль являлся одним  из крупнейших химиков, физиков и  философов своего времени. В качестве основных научных достижений Бойля  в химии можно отметить основание  им аналитической химии (качественный анализ), исследования свойств кислот, введение в химическую практику индикаторов, изучение плотностей жидкостей с  помощью изобретённого им ареометра. Нельзя не упомянуть и открытый Бойлем закон, носящий его имя (называемый также законом Бойля-Мариотта). Однако главной заслугой Бойля стала  предложенная им новая система химической философии, изложенная в книге "Химик-скептик" (1661). Книга была посвящена поискам  ответа на вопрос, что именно следует  считать элементами, исходя из современного уровня развития химии. Бойль писал: "Химики до сих пор руководствовались  чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного кругозора; они видели свою задачу в приготовлении  лекарств, в получении и превращении  металлов. Я смотрю на химию с  совершенно иной точки зрения: не как  врач, не как алхимик, а как должен смотреть на неё философ. Я начертал здесь план химической философии, который  надеюсь выполнить и усовершенствовать  своими опытами и наблюдениями". Книга построена в форме беседы между четырьмя философами: Фемистом, перипатетиком (последователем Аристотеля), Филопоном, спагириком (сторонником Парацельса), Карнеадом, излагающим взгляды "мистера Бойля", и Элевтерием, беспристрастно оценивающим аргументы спорщиков. Дискуссия философов подводила читателя к выводу, что ни четыре стихии Аристотеля, ни три принципа алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Бойль подчёркивал: "Нет никаких оснований присваивать данному телу название того или иного элемента только потому, что оно похоже на него одним каким-либо легко заметным свойством; ведь с тем же правом я мог бы отказать ему в этом названии, поскольку другие свойства являются разными". Исходя из опытных данных, Бойль показал, что понятия современной химии должны быть пересмотрены и приведены в соответствие с экспериментом.

     Элементы, согласно Бойлю – практически  неразложимые тела (вещества), состоящие  из сходных однородных (состоящих  из первоматерии) корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Корпускулы, из которых образованы тела, остаются неизменными при превращениях последних.

     Главную задачу химии Бойль видел в  изучении состава веществ и зависимости  свойств вещества от его состава. При этом понятие состава Бойль  считал возможным употреблять только тогда, когда из элементов, выделенных из данного сложного тела, можно  обратно восстановить исходное тело (т.е. он фактически принимал синтез за критерий правильности анализа). Бойль  в своих трудах не назвал ни одного элемента в новом понимании этого  понятия; не указал он и число элементов, отмечая лишь, что "не будет абсурдом, если предположить, что число это  много больше трёх или четырёх". Таким образом, книга "Химик-скептик" представляет собой не ответ на насущные вопросы химической философии, но постановку новой цели химии.

     Представления Бойля об элементе как о практически  неразложимом веществе (следует отметить, что тождество терминов "элемент" и "простое вещество" сохранялось  до середины XIX века) быстро получили широкое  признание среди естествоиспытателей. Однако создание теоретических представлений  о составе тел, способных заменить учение Аристотеля и ртутно-серную теорию, оказалось очень сложной  задачей. В последней четверти XVII века появились т.н. эклектические  воззрения, создатели которых пытались увязать алхимические традиции и  новые представления о химических элементах.

     На  рубеже XVII-XVIII веков научная химия  находилась лишь в самом начале своего пути; важнейшими препятствиями, которые  лишь предстояло преодолеть, являлись сильные ещё алхимические традиции (ни Бойль, ни Лемери не отрицали принципиальную возможность трансмутации), ложные представления об обжиге металлов как о разложении и спекулятивный (умозрительный) характер атомизма.

Химическая  революция

     В 1785-1787 гг. четыре выдающихся французских  химика – Антуан Лоран Лавуазье, Клод Луи Бертолле, Луи Бернар Гитон де Морво и Антуан Франсуа де Фуркруа, – по поручению Парижской академии наук разработали новую систему химической номенклатуры. Логика новой номенклатуры предполагала построение названия вещества по названиям тех элементов, из которых вещество состоит. Основные принципы этой номенклатуры используются до настоящего времени.

     В 1789 г. Лавуазье издал свой знаменитый учебник "Элементарный курс химии", целиком основанный на кислородной  теории горения и новой химической номенклатуре. Появление этого курса  собственно и ознаменовало, по мнению Лавуазье, химическую революцию (1789 –  год начала Французской революции, одной из жертв которой станет в 1794 г. и Лавуазье). В "Элементарном курсе химии" Лавуазье привёл первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых  тел), разделённых на несколько типов.

     Касательно  земель Лавуазье на основании их абсолютной инертности к кислороду высказывал предположение о том, что земли  представляют собой оксиды неизвестных  элементов, впоследствии полностью  подтвердившееся. Особую группу для  земель в своей таблице элементов  Лавуазье выделил, поскольку строго придерживался определения элемента, данного Бойлем.

     Созданная Лавуазье рациональная классификация  химических соединений основывалась, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств (кислоты, основания, соли, солеобразующие вещества, органические вещества). При этом, как и Бойль, Лавуазье считает, что свойства вещества определяются его составом. Зависимость  свойств вещества от состава, описанная  Лавуазье, представляет собой закономерность, отражающую взаимосвязь между качественными  и количественными характеристиками вещества.

     Важнейшим результатом исследований Лавуазье явилось формулирование им закона сохранения массы. Проанализировав результаты собственных исследований количественного  состава веществ и соотношения  масс реагентов и продуктов реакции, а также результаты подобных исследований других учёных, Лавуазье показал, что  во всех случаях масса веществ  в ходе химических реакций не изменяется: "Можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после  опыта, что качество и количество начал остаются теми же самыми". Следует  отметить, что Лавуазье вывел закон  сохранения массы опять-таки исключительно  из экспериментальных данных, не используя  каких-либо теоретических предпосылок, не основанных на опыте.

     Химическая  революция завершила период становления  химии; она ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный  отказ от устаревших натурфилософских и алхимических представлений о  природе вещества и его свойств. После химической революции химия  вступила в период количественных законов, в котором была создана и развита новая концепция химического элемента – атомно-теоретическая.

Стехиометрия

     Блестящие успехи количественных методов исследования вещества, сделавшие возможной химическую революцию, уже в начале XIX века привели  к новому фундаментальному изменению  в естествознании вообще и в химии  в частности. За открытым Лавуазье законом  сохранения массы последовал целый  ряд новых количественных закономерностей  – стехиометрические законы.

     Первым  стехиометрическим законом стал закон эквивалентов, который сформулировал  немецкий химик Иеремия Вениамин Рихтер в результате проведённых  им в 1791-1798 гг. опытов по изучению количеств  вещества в реакциях нейтрализации  и обмена, обобщённых в работе "Начальные  основания стехиометрии или искусства  измерения химических элементов". Первоначальная формулировка закона эквивалентов (термин "эквивалент" ввёл в 1767 г. Г. Кавендиш) была следующей: "Если одно и то же количество какой-либо кислоты  нейтрализуется различными количествами двух оснований, то эти количества эквивалентны и нейтрализуются одинаковым количеством  любой другой кислоты".

     Открытый  Рихтером закон подтвердил убеждения  многих химиков в том, что химические соединения взаимодействуют не в  произвольных, а в строго определённых количественных соотношениях. Однако за этим последовала длительная дискуссия  о том, присуща ли такая определённость всем без исключения химическим процессам. Основным предметом дискуссии стал вопрос о том, является ли постоянным соотношение элементов в соединении, состоящем из двух или более элементов, или же состав зависит от способа  получения вещества. Клод Луи Бертолле, основываясь на предложенной им теории химического сродства*, обусловленного силами притяжения и зависящего от плотности вещества и его количества, отстаивал предположение о том, что элементный состав вещества может  изменяться в некоторых пределах в зависимости от условий, в которых  оно было получено.

     В полемику с Бертолле отважился вступить французский химик Жозеф Луи Пруст. С помощью тщательных анализов в 1799-1806 гг. Пруст установил, что отношение количеств элементов в составе соединения всегда постоянно. Выводы Бертолле, как показал Пруст, были ошибочны из-за неточности анализов и недостаточной чистоты исходных веществ. Дискуссия завершилась блестящей победой Пруста.  Закон постоянства состава (постоянных отношений) в итоге не просто был признан большинством химиков, но стал одним из главных химических законов. Однако вопрос о причинах постоянства состава оставался открытым, поскольку из чисто аналитической концепции химического элемента это никоим образом не следует. Разрешить существующие сомнения могло лишь предположение о дискретности материи, однако атомистические взгляды по-прежнему не имели прямых экспериментальных доказательств.

Глава 4. «Период классической химии»