Химия · Основы химии · 1 курс

От алхимии до периодического закона

Алхимики думали, что «превратили» железо в медь — что же на самом деле изменилось на весах?

Ситуация

В келье бухарского медресе алхимик опускает железный гвоздь в раствор медного купороса — гвоздь краснеет и «превращается в медь». Спустя восемь веков в Париже Лавуазье нагревает олово в запаянной реторте и взвешивает её, в Манчестере Дальтон измеряет соотношения газов, а в Петербурге Менделеев раскладывает на столе карточки, оставляя пустые места для элементов, которых ещё никто не видел. Почему мечта алхимиков не сбылась, как химия стала точной наукой и какие опыты проложили ей путь?

Тема

История химии: от алхимии до периодического закона. Четыре комнаты — четыре эпохи. Алембик в худжре бухарской медресе (перегонный аппарат ар-Рази, розовая вода Ибн Сины, весы Беруни для относительной плотности минералов и металлов)…

Ключевые понятия

Сохранение массы
Кратные и объёмные отношения
Периодический закон и предсказания

Формулы

Fe + Cu^{2 +} \overset{}{\to} Fe^{2 +} + Cu

Железо вытесняет медь из медного купороса — это не трансмутация, а замещение: медь приходит из раствора.

\sum m_{нач.} = \sum m_{кон.}

Закон сохранения массы (Ломоносов 1748/1756, Лавуазье 1774–1789): в закрытом сосуде масса не меняется.

2 H_{2} + O_{2} \overset{}{\to} 2 H_{2} O V (H_{2}) : V (O_{2}) : V (H_{2} O) = 2 : 1 : 2

Закон объёмных отношений Гей-Люссака; Авогадро (1811): в равных объёмах — равное число молекул.

M = 2 D_{H_{2}}, A (El) = \min m {(El)}_{1 м о л ь}

Метод Канниццаро: молярная масса — по плотности пара, атомная масса — наименьшая масса элемента в 1 моль его соединений.

A (экасилиций) \approx \frac{1}{4} (A_{Si} + A_{Sn} + A_{экаAl} + A_{As})

Метод «атомной аналогии» Менделеева: свойства неизвестного элемента близки к среднему значению свойств его соседей.

Теория

Начало химии: практика, атомистика, алхимия

Химия началась с практики: огонь и гончарное дело (обжиг глины) в каменном веке и неолите, затем века меди, бронзы (Cu + Sn) и железа — каждый требовал выплавки металла из руды; в Месопотамии и Египте во II тысячелетии до н. э. делали стеклянную посуду. В V веке до н. э. Левкипп и Демокрит утверждали, что вещество состоит из неделимых частиц — атомов; Аристотель развил идею четырёх стихий (земля, вода, воздух, огонь) и четырёх качеств: меняя качества, можно превратить одно вещество в другое. В эпоху эллинизма эта идея соединилась в Александрии с опытом ремесленников, и родилась алхимия. Главной целью греко-египетской алхимии была трансмутация — превращение простых металлов в золото. Её представители: Болос Мендесский (около II века до н. э.), Мария Еврейка (ей приписывают водяную баню и приборы для перегонки), Зосима Панополитанский (ок. 300 г.). На этом пути было накоплено много практических знаний о перегонке, возгонке, кристаллизации, сплавах и красителях.

Восточная алхимия и учёные Центральной Азии

В VIII–XI веках греческие сочинения перевели на арабский язык (багдадский «Дом мудрости»), и алхимия стала опираться на опыт. В трудах, связанных с именем Джабира ибн Хайяна (ок. 721–813; авторство спорно среди историков), изложена ртутно-серная теория: все металлы образуются под землёй из ртути и серы, в зависимости от их чистоты и соотношения, — а значит, изменив соотношение, можно получить золото. Аль-Кинди (ок. 801–873) писал о благовониях и перегонке и отвергал утверждения о получении золота. Абу Бакр ар-Рази (865–925) в «Книге тайн» разделил вещества на минеральные, растительные и животные, а минералы — на «духи» (ртуть, нашатырь, сера, сульфиды мышьяка), металлы, камни, купоросы, буры и соли; он описал лабораторные приборы — анбик (аламбик), котёл, тигель, ступку. Абу Наср аль-Фараби (ок. 872–950) защищал возможность алхимии. Абу Райхан Беруни (973–1048) в «Минералогии» измерял относительную плотность металлов и драгоценных камней (его метод — в эксперименте «История физики: Беруни, Улугбек»). Абу Али ибн Сина (980–1037) в «Книге исцеления» писал, что алхимики не могут изменить вид металлов, а лишь окрашивают их, придавая сходство. Алгебра аль-Хорезми и астрономия аль-Фергани показывают традицию точного расчёта этой эпохи. Приборы и даты жизни учёных есть также в эксперименте «Кабинет химии и безопасность».

Западная алхимия, техническая химия и ятрохимия

В XII–XIII веках арабские сочинения перевели на латынь. Альберт Великий (ок. 1200–1280) писал о минералах, Роджер Бэкон (ок. 1219–1292) считал опыт основой науки; под именами Арнольда из Виллановы и Раймунда Луллия ходило множество алхимических трактатов. В латинских текстах «Псевдо-Гебера» (конец XIII века) встречается описание минеральных кислот — «крепкой воды» (азотной кислоты) и царской водки. Сочинения под именем «Василия Валентина» (начало 1600-х годов) описывают соединения сурьмы. В XVI–XVII веках расцветает техническая химия: В. Бирингуччо, «Пиротехния» (1540), и Г. Агрикола, «О металлах» (1556), — руководства по рудам и металлургии; венецианское стекло, фарфор (в Европе — Мейсен, 1708–1710), керамика, соли, бумага, позже получение соды из поваренной соли (Н. Леблан, 1791). Ятрохимия (Парацельс, 1493–1541) направила химию на приготовление лекарств: три начала — сера, ртуть, соль; ван Гельмонт ввёл слово «газ». В этот период объединения практические знания и теория сблизились.

Научная химия: Бойль, флогистон, пневмохимия, Лавуазье и Ломоносов

Р. Бойль в «Химике-скептике» (1661) опытом подверг критике четыре стихии Аристотеля и три начала Парацельса, понял элемент как простое тело, не составленное из других тел, и связал корпускулярный (атомистический) взгляд с опытом. Практическое определение элемента — вещества, которое нельзя разложить анализом, — принадлежит Лавуазье (1789). Г. Шталь (на основе идеи И. Бехера) создал теорию флогистона: при горении горючее вещество теряет «флогистон». Но металл при прокаливании становится тяжелее! Пневматическая ванна (С. Хейлс, 1727) позволила собирать газы над водой: Дж. Блэк открыл CO₂ («связанный воздух», 1754–1756), Г. Кавендиш — H₂ («горючий воздух», 1766), Д. Резерфорд — N₂ (1772), Дж. Пристли — O₂ (1774, нагревая HgO линзой; К. Шееле получил его чуть раньше, публикация 1777). А. Лавуазье (1743–1794), нагревая олово в запаянной реторте, показал, что при взвешивании без вскрытия масса не меняется, а после вскрытия вещество тяжелеет из-за вошедшего воздуха; в 12-дневном опыте с ртутью он доказал, что поглощается примерно 1/6 часть воздуха и образуется красная окалина, а при её нагревании этот газ возвращается, — так возникла кислородная теория горения. Он создал химическую номенклатуру (1787) и «Элементарный курс химии» (1789). М. В. Ломоносов (1711–1765) построил в Петербурге химическую лабораторию (1748), в письме Эйлеру (1748) изложил сохранение материи и движения, а в 1756 году, прокаливая металл в закрытом сосуде, наблюдал, что масса не меняется. Безопасность: ртуть и её пары, а также SO₂, выделяющийся при нагревании сульфида ртути, ядовиты — эти опыты лишь историческая реконструкция, в школьной лаборатории их не проводят.

Количественные законы и атомно-молекулярное учение

И. Рихтер (1792–1794) обнаружил, что вещества реагируют в точных эквивалентных соотношениях («стехиометрия»); Ж. Пруст (1799) сформулировал закон постоянства состава. Дж. Дальтон (1803–1808): каждый элемент состоит из атомов со своим весом; если одни и те же элементы образуют несколько соединений, то массы второго элемента, приходящиеся на одну и ту же массу первого, относятся как небольшие целые числа (кратные отношения: для N₂O : NO : N₂O₃ : NO₂ : N₂O₅ — 1 : 2 : 3 : 4 : 5); он составил первую таблицу атомных весов и ввёл круговые символы (считая воду HO, он принял O = 7). Ж. Гей-Люссак (1808): газы реагируют в небольших целых объёмных отношениях; А. Авогадро (1811) объяснил это молекулами: в равных объёмах — равное число молекул, H₂ и O₂ — двухатомные. Й. Берцелиус ввёл буквенные символы (1813–1814) и точные атомные веса, развил химический анализ. Электрохимия: вольтов столб А. Вольты (1800); Г. Дэви электролизом выделил K, Na (1807), Ca, Mg, Ba, Sr (1808); М. Фарадей сформулировал законы электролиза (1833–1834, $m = M I t / (z F)$ ) и ввёл термины «электрод, анод, катод, ион» (эксперимент «Электролиз, законы Фарадея»). Идею Авогадро возродил С. Канниццаро (1858); конгресс в Карлсруэ (1860) закончился без решения, но брошюра Канниццаро, распространённая там, в последующие годы привела к единой системе атомных масс.

Органическая химия, периодический закон, строение атома, XX–XXI века и Узбекистан

Витализм (органическое вещество создаёт только живой организм) получил удар от синтеза мочевины Ф. Вёлером (1828); синтезы Г. Кольбе (уксусная кислота, 1845), Н. Н. Зинина (анилин, 1842), М. Бертло полностью его опровергли. После теорий радикалов и типов А. Кекуле и А. Купер (1857–1858) установили четырёхвалентность углерода, А. М. Бутлеров (1861) создал теорию химического строения, Вант-Гофф и Ле Бель (1874) — стереохимию. Периодический закон: триады И. Дёберейнера (1829), «закон октав» Дж. Ньюлендса (1865), таблицы Л. Мейера (1864, 1870), таблица Д. И. Менделеева (1869) и «Основы химии» (1868–1871): оставив пустые клетки, он предсказал экабор, экаалюминий, экасилиций — были открыты Ga (1875), Sc (1879), Ge (1886); для пары Te и I он поставил свойства выше порядка масс. Строение атома: радиоактивность (А. Беккерель, 1896; Кюри, 1898), электрон и модель Томсона (1897, 1904), ядро Резерфорда (1911), модель Бора, изотопы Ф. Содди, закон Г. Мозли (1913), теории связи Льюиса и Косселя (1916), затем методы валентных связей и молекулярных орбиталей; квантовая механика (Планк, 1900; Эйнштейн, 1905; де Бройль, 1924; Гейзенберг, Шрёдингер, 1926; Дирак, 1928) породила квантовую химию. XX век: рентгеноструктурный анализ, хроматография (М. Цвет), ЯМР (1946), хромато-масс-спектрометрия, «меченые атомы» (Д. Хевеши), полимеры (Г. Штаудингер) и биоорганическая химия. XXI век: супрамолекулярная химия, наноматериалы, фотокатализ, фемтохимия, биохимия и «химическая медицина»; польза пестицидов, гербицидов и фунгицидов вместе с опасностью для окружающей среды. В Узбекистане: академик С. Ю. Юнусов (1909–1995) создал Институт химии растительных веществ (1956) — выделено более 800 алкалоидов; О. С. Садыков (1913–1987) — президент Академии наук, Институт биоорганической химии носит его имя; промышленность: Чирчик («Максам-Чирчик»), «Навоиазот», «Ферганаазот» — азотные удобрения, Алмалыкский и Навоийский горно-металлургические комбинаты, Шуртанский и Устюртский газохимические комплексы. О модели: сцена — реконструкция; исторические числа взяты из источников, скорости реакций сокращены по времени, массы рассчитаны по современным атомным массам.

Знаете ли вы?

Рисунки приборов в книге Лавуазье «Элементарный курс химии» (1789) — 13 гравюр — выполнила его жена Мари-Анна Польз-Лавуазье; она также переводила на французский язык сочинения английских химиков.
Германий в 1886 году выделил К. Винклер из минерала аргиродита и назвал в честь Германии; его атомная масса (72,6) и плотность (5,32 г/см³) оказались очень близки к 72 и 5,5, которые Менделеев в 1871 году предсказал для «экасилиция».

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Кабинет химии и безопасность — 7 класс
Чистые вещества и смеси — 7 класс
Физические и химические явления — 7 класс
Химическая формула и валентность — 7 класс
Моль, молярная масса и объём — 7 класс