Химию обычно рассматривают как науку о свойствах, составе и качественном превращении различных веществ. Свойства, которые при этом изучаются, принято называть химическими потому, что они характеризуют способность веществ участвовать во взаимодействии с другими веществами и вступать с ними в химические реакции. Состав же определяется теми компонентами, которые непосредственно реагируют с другими компонентами, так как в ходе реакции используются также другие вещества (катализаторы), которые после реакции остаются неизменными.
Поскольку при химических реакциях происходят качественные изменения и превращения веществ, то одна из основных задач химии состоит в тщательном изучении этих реакций, а именно в какой мере они зависят от состава реагирующих веществ и условий их протекания. В первое время именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Уже на этом этапе ученые встретились с огромными трудностями. Ведь для того, чтобы понять, какие первоначальные элементы обусловливают свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, во-вторых, научиться определять те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах существовали самые противоречивые представления. В античной и средневековой науке элементы часто отождествляли со стихиями, из которых образуются все вещи (Эмпедокл и Аристотель), или же просто со свойствами самих вещей (алхимики). Даже понятие простого тела, с помощью которого Р. Бойль пытался определить элемент, оставалось недостаточно ясным и допускало множество разных толкований.
В этой главе мы рассмотрим, как исторически формировалось понятие химического элемента, на основании каких признаков простые вещества отличали от их соединений или сложных веществ. Посколь-
ку химия занимается прежде всего изучением различных типов химических реакций, постольку мы обсудим также, какие факторы влияют на характер их протекания и эффективность получения продуктов реакций.
11.1. Исторические уровни в познании химических веществ
Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым (1834—1907) не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал. Следовательно, невозможно было представить все наличное знание как систему теоретической химии.
Было бы, однако, неправильным не учитывать той громадной исследовательской работы, которая привела к утверждению системного взгляда на химические знания. Уже с первых шагов химики на интуитивном и эмпирическом уровне поняли, что свойства простых веществ и химических соединений зависят от тех неизменных начал, которые впоследствии стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывают значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Р. Бойля (1627—1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по своей массе.
Первый концептуальный уровень в познании веществ можно назвать исследованием различных свойств и превращений веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. Здесь мы видим поразительную аналогию с той концепцией атомизма, о которой шла речь в предыдущих главах. Химики, как и физики, искали ту первоначальную основу (элемент), с помощью которой пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.
Второй концептуальный уровень связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов в составе веществ и их соединений. Эксперимент и производственная практика убедительно доказывали, что свойства веществ, полученных в результате химических реакций, зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия этих элементов в процессе реакции.
Третий уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов, таких, как температура, давление, скорость протекания реакций и некоторые другие. Все эти факторы оказывают существенное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение для массового производства.
Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также с применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне мы встречаемся также с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.
11.2. Состав вещества, химические системы и их структура
Для определения свойств веществ необходимо установить, из каких элементов они состоят, а это предполагает наличие точного понятия химического элемента. Упоминавшееся выше определение Р. Бойлем элемента как «простого тела», а тем более ранние попытки отождествить элементы непосредственно со свойствами и качествами веществ не достигали этой цели. Ни сам Бойль, ни его последователи не имели ясного представления о «простом теле» и потому принимали за него, по сути дела, химическое соединение. Так, например, в XVIII в. железо, медь и другие известные в то время металлы ученые рассматривали как сложные тела, а окалину, получающуюся при их нагревании, — как простое тело. Теперь мы знаем, что окалина, или оксид металла, представляет собой соединение металла с кислородом, т.е. сложное тело.
Ошибочное представление, существовавшее в XVIII в., было навязано ученым господствовавшей в то время ложной гипотезой флогистона, которую впервые выдвинул немецкий врач и химик Г. Шталь (1659— 1734). С ее помощью он пытался дать общее объяснение химическим реакциям и для этого предположил, что существует особое невесомое вещество, которое он назвал флогистоном (от греч. — зажигать, гореть). Шталь считал, что металлы состоят из окалины и флогистона, который при нагревании улетучивается, и остается чистый элемент. В состав пчелиного воска и угля, по его мнению, входит преимущественно флогистон, который при горении улетучивается, и в результате остается лишь немного золы.
Эта гипотеза была опровергнута известным французским химиком А. Лавуазье (1743—1794) после открытия кислорода и выявления его
роли в процессах окисления и горения. Он же первый предпринял попытку систематизации открытых к тому времени 33 химических элементов, хотя при этом отнес к ним и некоторые химические соединения (известь, магнезию и др.), и даже теплоту и свет.
Лавуазье считал элементами только такие тела, которые не поддавались в его время реакции разложения. Действительно, с помощью такой реакции можно разложить, например, поваренную соль на составляющие элементы — натрий и хлор: NaCl = Na + Cl. Однако он отнес к элементам негашеную известь (окись кальция СаО) и гашеную известь Са(ОН)2, которые являются сложными веществами.
Постепенно химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства и реакционную способность и благодаря этому накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но были весьма несовершенными потому, что в качестве системообразующего фактора брались несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов.
Великая заслуга Дм.И. Менделеева состоит в том, что, открыв периодический закон, он заложил фундамент для построения подлинно научной системы химических элементов. В качестве системообразующего фактора, или, как он писал, «неизменного общего в изменяемом и частном», он выбрал атомную массу, или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал, что их свойства находятся в периодической зависимости от величины атомного веса. Более того, он предсказал существование шести неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки в своей таблице. Впоследствии эти элементы были открыты химиками, и их свойства оказались такими, какие предсказал Менделеев. Благодаря этому его периодическая система получила широкое признание в научном мире.
Дальнейшее развитие науки позволило уточнить, что свойства химических элементов зависят от заряда ядра атомов, который определяется числом протонов или соответственно электронов. Тем самым была решена и проблема химического элемента, которая с XVII в. оставалась предметом многочисленных дискуссий.