Первые представления о химическом элементе

Для определения состава вещества необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Определение Р. Бойлем элемента как "простого тела", а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами вещей не достигали этой цели. Действительно, ни сам Бойль, ни его сторонники не имели ясного представления о "простом веществе" и поэтому принимали за него химическое соединение. В те времена для получения химического элемента как "простого тела" использовался универсальный метод разложения сложных тел – метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы (железо, медь, свинец, сурьму и т.д.) считали сложными телами, состоящими из соответствующих элементов, и универсального "невесомого тела" – флогистона (от греч. phlogistos – “горючий”).

Ошибочная теория флогистона послужила толчком к поиску истины. Усилия химиков были направлены на установления состава различных веществ. Вещества, которые разлагались на более простые вещества, были названы "соединениями" (сложными веществами), например, вода, углекислый газ, железная окалина. Вещества, которые нельзя было далее разложить, назывались "элементами", например, водород, медь, золото.

В 1774 г. английский ученый Д. Пристли (1733–1804) одним из первых получил кислород. Пристли наблюдал, что при внесении в кислород слабо горящей свечи или тлеющей лучины свеча ярко загоралась, а лучина вспыхивала. Роль кислорода в этих явлениях была объяснена великим французским химиком А. Лавуазье (1743–1794), опровергнувшим теорию флогистона – носителя "горючести" тел. В результате многочисленных анализов продуктов реакций Лавуазье установил, что горение – это не разложение горючих веществ с выделением флогистона, а соединение веществ с кислородом. Таким образом, была создана кислородная теория (1777), объяснившая процессы дыхания и горения как взаимодействие веществ с окислителем – кислородом.

Процесс становления химии как самостоятельной науки требовал создания общепринятой терминологии, в том числе, химической номенклатуры – системы названий химических соединений. Первую систему научных названий в химии выработала в 1787 г. Комиссия химиков во главе с Лавуазье. Современные символы химических элементов были предложены позднее шведским ученым Й. Берцеллиусом (1779–1848). Большой заслугой Лавуазье является приведение в систему огромного фактического материала, накопленного химией. В 1789 г. Лавуазье изложил разработанные им системы знаний в учебнике "Начальный курс химии, представленный в новом виде на основе новейших открытий". Система Лавуазье основывалась на точных качественных и количественных исследованиях.

Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В частности, он привел список всех известных элементов, содержащий 33 вещества. Два из этих веществ были неверными в принципе (свет и теплород), а 8 оказались впоследствии сложными веществами (известь, магнезия, глинозем, кремнезем и т.д.)

Первым разделом научной химии явилась стехиометрия, изучающая количественный состав веществ, а также количественные соотношения между веществами, вступающими в реакцию. В конце XVIII – начале XIX вв. были открыты стехиометрические законы (закон постоянства состава, закон кратных отношений, закон простых объемных отношений, закон Авогадро). Эти законы, на первый взгляд, могут показаться очевидными и тривиальными, но для своего времени они являлись гениальными догадками и составили фундамент, на котором базируется современная химия.

Закон постоянства состава

Уже к началу XIX в. накопилось много данных о составе отдельных веществ и их изменениях. Развитие техники количественных измерений и методов химического анализа позволило определять соотношения элементов в соединениях. Французский химик Ж. Пруст (1754–1826) после тщательнейших экспериментов с рядом веществ установил закон постоянства состава – один из основных законов химии.

Согласно закону постоянства состава, всякое чистое вещество, независимо от способов его получения и нахождения в природе, имеет постоянный качественный и количественный состав.

Это означает, что все соединения содержат элементы в строго определенных весовых пропорциях, независимо от способа получения, Так, например, сернистый газ, полученный сжиганием серы, или действием кислот на сульфиты, или любым другим способом, всегда содержит одну весовую часть серы и одну весовую часть кислорода.

Закон постоянства состава веществ был установлен в результате семилетнего спора между Прустом и его оппонентом, французским химиком К. Бертолле (1748–1822), утверждавшим, что состав соединений зависит от способа их получения.

Бертолле в результате анализа растворов, которые он считал химическими соединениями, сделал общий вывод о существовании химических соединений переменного состава. Получалось, что два элемента могут образовать непрерывный ряд соединений с изменяющимися свойствами и составом.

Пруст утверждал, что состав чистого вещества всегда один и тот же, любое химическое вещество имеет всегда одни и те же свойства, одинаковую температуру плавления, кипения, удельный вес. Пруст заявлял, что природа даже через посредство людей никогда не производит соединений иначе, как только по весу и мере. Одни и те же соединения имеют всегда тождественный состав. Внешний их вид может быть различен, но свойства – никогда. Нет разницы между окисью железа из южного полушария и из северного, хлористое серебро из Перу совершенно тождественно хлористому серебру из Сибири; во всем мире имеется только один хлористый натрий, одна селитра и т.д. Проделав в течение 1799–1887 гг. массу анализов, Пруст доказал справедливость своих выводов.

Дальнейшее развитие химии показало, что закон постоянства состава характеризует соединения с молекулярной структурой, состав же соединений с немолекулярной структурой (атомной, ионной и металлической решеткой) не является постоянным и зависит от условий получения.

В начале XX в. русский химик Курнаков, изучая сплавы металлов, открыл соединения переменного состава. В дальнейшем было выяснено, что соединения переменного состава встречаются также среди оксидов, соединений металлов с серой, азотом, углеродом, водородом а также – среди других неорганических веществ, имеющих кристаллическую структуру. Вещества переменного состава были названы бертоллидами, в отличие от соединений постоянного состава – дальтонидов. Для многих соединений переменного состава установлены пределы, в которых может изменяться их состав. Так, в диоксиде титана TiO₂ на единицу массы титана может приходиться от 0,65 до 0,67 единиц массы кислорода, что соответствует формуле  Тi O_{1,9 – 2,0}  ( таб.4.1).

Таблица 4.1

Таким образом, закон постоянства состава, в отличие от закона сохранения массы вещества, не является столь всеобщим. Однако для своего времени закон постоянства состава имел фундаментальное значение. Он привел к мысли о существовании молекул и подтвердил неделимость атомов. В самом деле, почему в сернистом газе весовое отношение серы и кислорода всегда 1:1, а не 1,1:0,9 или 0,95:1.05?  Этот результат легко объяснить, если предположить, что атомы серы соединяются с определенным числом атомов кислорода и образуют частицы сернистого газа (эти частицы впоследствии были названы молекулами).