4.1. Учение о составе

Химия – наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения. Иногда химию определяют как науку о химических элементах и их соединениях. В настоящее время химия представляет собой высокоупорядоченную, постоянно развивающуюся систему знаний о химических элементах и их соединениях, энергетике химических процессов, реакционной способности веществ, катализаторах и т.д.

Исторически химия возникла для получения человеком веществ, необходимых для его жизнедеятельности. История развития химических концепций начинается с древнейших времен. Демокрит, Эпикур и другие представители древней натурфилософии высказывали гениальные мысли о том, что все тела состоят из атомов различной величины и разной формы, что обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл объясняли все видимое разнообразие тел природы с антиатомистических позиций: они считали, что в телах сочетаются различные элементы – стихии или элементы – свойства: тепло и холод, сухость и влажность и т.д. Подобное учение об элементах–свойствах было развито в алхимии. Однако ни идеи Демокрита об атомах, ни представления Эмпедокла об элементах–стихиях не нашли применения ни в металлургии, ни в стеклоделии, ни в гончарном ремесле.

Для решения задачи получения необходимых человеку веществ необходимо было научиться получать из одних веществ другие, т.е. осуществлять их качественные превращения. А поскольку качество есть совокупность свойств веществ, то следовало узнать от чего зависят эти свойства. Это послужило причиной появления теоретической химии.

С первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства вещества зависят от каких-то неизмененных начал или носителей, которые впоследствии стали называться элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии. Учение о составе можно назвать первым концептуальным уровнем системы химических знаний. Его задача – исследовать различные свойства вещества в зависимости от его химического состава, определяемого элементами. Здесь мы видим аналогию с концепцией атомизма. Химики, как и физики, искали первоначальную основу, с помощью которой можно было бы объяснить свойства всех простых и сложных веществ.

Первый способ определения свойств веществ был предложен во второй половине XVII века английским ученым Р. Бойлем. Бойль определил химический элемент как «простое тело» или как предел химического разложения вещества, переходящем из состава одного в состав другого сложного тела. В то время для разложения сложных тел применялся метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы – железо, медь, свинец и т.д. – считали сложными телами, состоящими из элемента – окалины и особого невесомого тела – флогистона.

Ошибочная теория флогистона послужила толчком к многочисленным исследованиям. Появились точные методы количественного анализа вещества, способствовавшие открытию истинных элементов: фосфора, кобальта, никеля, фтора, азота, хлора, марганца, кислорода.

Открыв кислород и установив его роль в процессе окисления и горения, в образовании кислот, окислов и воды, выдающийся французский химик А. Лавуазье в XVIII в. опроверг теорию флогистона. Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В свою систему элементов он включил кислород, водород, азот, серу, фосфор, семь известных в то время металлов, известь, магнезию, глинозем, кремнезем. Он ошибочно считал, что известь, глинозем, магнезия и кремнезем неделимы.

Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность, накопился большой эмпирический материал, который необходимо было привести в систему. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Полпытки объединения элементов в группы предпринимались и до него, но в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные признаки элементов.

В 1869 г. Д.И. Менделеев сформулировал периодический закон и разработал Периодическую систему химических элементов. В качестве системообразующего фактора он выбрал атомную массу или атомный вес элемента. Его периодический закон сформулирован в следующем виде: свойства простых веществ, а так же формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов. В соответствии с атомным весом он расположил известные в то время химические элементы (62 элемента) в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от атомного веса. Более того, он предсказал существование неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками и их свойства оказались такими, какие предсказал Д.И. Менделеев. Благодаря этому периодическая система признание получила в научном мире.

Это было гениальное эмпирическое обобщение фактов, а их физический смысл долго оставался неясным, т.к. отсутствовали представления о сложности строения атома. На базе современных данных о составе атома, атомного ядра и о распределении электронов в атомах химические элементы представляют собой атомы с определенным зарядом ядра. Периодический закон формулируется таким образом: свойства химических элементов зависят от величины заряда ядра атома (порядкового номера элемента). Атомный вес является средним значением величин масс изотопов, из которых состоит элемент. Изотопами называются разновидности атомов, которые имеют одинаковый заряд ядра, но отличаются по массе. Тем самым была решена проблема химического элемента, которая с XVIII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.

В настоящее время химическим элементом называют вещество, атомы которого обладают одинаковым зарядом ядра, хотя и различаются по массе.

Во времена Менделеева, было известно 62 элемента. В 1930 г. система элементов заканчивалась ураном (Z =92). С 1940 по 1945 г. путем физического синтеза атомных ядер были открыты нептуний, плутоний, америций, кюрий, с 1945 по 1952 г. – берилий, калифорний, фермий, в 1955 – менделеевий, т.е. за 15 лет было открыто 9 элементов. Затем за все последующие 40 лет было синтезировано 8 элементов: № 102 – курчатовий, № 105 – жолиотий, № 106 – резерфордий, № 107 – борий, № 108 – ганий, № 109 – мейтнерий. Совсем недавно были синтезированы элементы №112 и другие. Все эти элементы крайне неустойчивы. Следует ожидать, что с развитием техники эксперимента будут открыты новые химические элементы.

С позиции атомизма решается так же вопрос о том, что считать химическим соединением, а что смесью. Еще в 1800 – 1808 гг. французский ученый Ж. Пруст установил закон постоянства состава: любое химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом. На основе атомно-молекулярных представлений о строении вещества закон постоянства состава теоретически обосновал английский ученый Дж. Дальтон. Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество в отличие от смеси состоит из однородных мельчайших частиц – молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула простого вещества кислорода О₂ образована из двух атомов и характеризуется всеми свойствами, присущими этому веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из различных атомов и обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Например, вода Н₂О представляет собой жидкость, а образована из двух газов водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что каким бы способом химическое соединение не было получено, оно будет всегда иметь один и тот же состав.