Периодическая система элементов

Одной из важнейших задач химии второй половины XIX века стала систематизация химических элементов. Создание Периодической системы стало результатом длительного эволюционного процесса, который начался с закона триад, предложенного И. В. Дёберейнером в 1829 г. Выявленная им несомненная взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами была развита Л. Гмелиным, показавшим, что эта взаимосвязь значительно сложнее, нежели триады. Ж. Дюма и М. фон Петтенкофер предложили дифференциальные системы, направленные на выявление закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые были развиты А. Штреккером. В середине 1860-х У. Одлинг, А. Э. Бегуйе де Шанкуртуа, Дж. Ньюлендс и Л. Мейер предложили несколько вариантов таблиц, в которых уже явственно прослеживается периодичность свойств элементов.

В 1869 – 1871 гг. Д. И. Менделеев опубликовал первый вариант своей Периодической таблицы и сформулировал Периодический закон химических элементов. В отличие от своих предшественников, Менделеев не просто констатировал наличие взаимосвязи между атомными весами и свойствами элементов, но взял на себя смелость предсказать свойства нескольких неоткрытых ещё элементов. После того, как предсказания Менделеева блестяще подтвердились, Периодический закон стал считаться одним из фундаментальных законов химии.

Структурная химия

После открытия явления изомерии (Ю. Либих и Ф. Вёлер, 1824 г.), чрезвычайно распространённого в органической химии, стало очевидным, что свойства вещества определяются не только его составом, но и порядком соединения атомов и их пространственным расположением.

В основу решения вопроса о строении органических веществ вначале было положено представления Берцелиуса о радикалах – полярных группах атомов, способных переходить без изменения из одних веществ в другие. Теория сложных радикалов, предложенная Либихом и Вёлером (1832 г.), быстро получила всеобщее признание. Открытие явления металепсии (Ж. Б. Дюма, 1834 г.), не укладывающегося в электрохимические представления Берцелиуса, повлекло за собой появление теории типов Дюма (1839 г.). Созданная Ш. Жераром и О. Лораном новая теория типов (1852 г.) включила в себя и представления о сложных радикалах, и идеи Дюма о типах молекул, сведя всё разнообразие органических соединений к трём или четырём типам.

Теория типов Жерара-Лорана привела к созданию представлений о единицах сродства атомов и радикалов, в результате развития которых появилась теория валентности (Ф. А. Кекуле фон Штрадониц, 1857 г.), ставшая основой для создания А. М. Бутлеровым его теории химического строения молекул. Простые и наглядные представления Кекуле и Бутлерова позволили дать объяснение многим экспериментальным фактам, касающихся изомерии органических соединений и их реакционной способности. Большое значение для развития системы структурных формул имело установление циклического строения молекулы бензола (Кекуле, 1865 г.).

Важным этапом развития структурной химии стало создание стереохимии, описывающей пространственное строение молекул. В 1874 г. датский химик Я. Г. Вант-Гофф предложил теорию асимметричного атома углерода, которая удачно объясняла явление оптической изомерии, открытое в 1832 г. Берцелиусом, и существование энантиомеров, обнаруженных в 1848 г. французским учёным Л. Пастером.

На протяжении почти всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии. Лишь в 1893 г. швейцарский химик А. Вернер создал теорию строения комплексных соединений, которая распространила эти представления на неорганические соединения, существенно расширив понятие о валентности элементов.

 

Физическая химия

В середине XIX века начала стремительно развиваться пограничная область науки – физическая химия. Предметом её изучения стали химические процессы – скорость, направление, сопровождающие их тепловые явления и зависимость этих характеристик от внешних условий.

Изучение тепловых эффектов реакций начал А. Л. Лавуазье, сформулировавший совместно с П. С. Лапласом первый закон термохимии. В 1840 г. русский химик Г. И. Гесс открыл основной закон термохимии («закон Гесса»). М. Бертло и Ю. Томсен в 1860-е годы сформулировали «принцип максимальной работы» (принцип Бертло – Томсена), позволивший предвидеть принципиальную осуществимость химического взаимодействия.

Важнейшую роль в создании представлений о химическом сродстве и химическом процессе сыграли термодинамические исследования середины XIX века. Объектом изучения химической термодинамики стало, прежде всего, состояние химического равновесия, впервые описанное А. У. Уильямсоном в 1850 г. и изученное Г. Розе, Р. В. Бунзеном, А. Э. Сент-Клер Девилем, М. Бертло и другими исследователями.

В 1867 г. К. М. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс. Представляя равновесие обратимой реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях, они показали, что направление реакции определяется не массами веществ (как предполагал в начале века К. Л. Бертолле), а произведением действующих масс (концентраций) реагирующих веществ. Теоретическое рассмотрение химического равновесия выполнили Дж. У. Гиббс (1874-1878 гг.) и Я. Г. Вант-Гофф (1884 г.). Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия, который обобщили позже А. Л. Ле Шателье и К. Ф. Браун. Создание учения о химическом равновесии стало одним из главных достижений физической химии XIX века, имевшим значение не только для химии, но и для всего естествознания.

В 1850-е годы с работ Л. Ф. Вильгельми начались систематические исследования скорости химических реакций, которые привели к созданию в 1880-е годы основ формальной кинетики (Я. Г. Вант-Гофф, В. Оствальд, С. А. Аррениус). В 1890-х годах Оствальд опубликовал также серию ставших классическими работ по исследованию каталитических процессов.

Важным достижением физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Альтернативные физическая и химическая теории растворов развились из представлений Берцелиуса, считавшего растворы механическими смесями, при образовании которых не действуют силы химического сродства, и Бертолле, рассматривавшего растворы как нестехиометрические соединения. Физическая теория достигла существенных успехов в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф. М. Рауля, осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации С. А. Аррениуса).

Химия XX века

Открытие электрона Дж. Дж. Томсоном (1897 г.) и радиоактивности А. Беккерелем (1896 г.) стали доказательством делимости атома, возможность которой стала обсуждаться после выдвижения У. Праутом гипотезы о протиле (1815 г.). Уже в начале XX века появились первые модели строения атома: «кексовая» (У. Томсон, 1902 г., и Дж. Дж. Томсон, 1904 г.), планетарная (Ж. Б. Перрен, 1901 г., и Х. Нагаока, 1903 г.), «динамидическая» (Ф. Ленард, 1904 г.). В 1911 г. Э. Резерфорд, основываясь на опытах по рассеиванию альфа-частиц, предложил ядерную модель, ставшую основой для создания классической модели строения атома (Н. Бор, 1913 г., и А. Зоммерфельд, 1916 г.). Основываясь на ней, Н. Бор в 1921 г. заложил основы формальной теории периодической системы, объяснившей периодичность свойств элементов периодическим повторением строения внешнего электронного уровня атома.

После открытия делимости атома и установления природы электрона как его составной части возникли реальные предпосылки для разработки теорий химической связи. Первой стала концепция электровалентности Р. Абегга (1904 г.), основанная на идее о сродстве атомов к электрону. Модель Бора – Зоммерфельда, представления о валентных электронах (И. Штарк, 1915) и идея об особой стабильности двух- и восьмиэлектронных оболочек атомов инертных газов легли в основу классических теорий химической связи. В. Коссель (1916 г.) разработал теорию гетерополярной (ионной) связи, а Дж. Н. Льюис (1916 г.) и И. Ленгмюр (1919 г.) – теорию гомеополярной (ковалентной) связи.

В конце 20-х – начале 30-х годов XX века сформировались принципиально новые – квантово-механические – представления о строении атома и природе химической связи.

Исходя из идеи французского физика Л. де Бройля о наличии у материальных частиц волновых свойств, австрийский физик Э. Шрёдингер в 1926 г. вывел основное уравнение т.н. волновой механики, содержащее волновую функцию и позволяющее определить возможные состояния квантовой системы и их изменение во времени. В том же году другой немецкий физик В. Гейзенберг разработал свой вариант квантовой теории атома в виде матричной механики.

Квантово-механический подход к строению атома привёл к созданию принципиально новых представлений о природе химической связи. Уже в 1927 г. В. Г. Гейтлер и Ф. Лондон начали разрабатывать квантовомеханическую теорию химической связи и выполнили приближённый расчет молекулы водорода. Распространение метода Гейтлера-Лондона на многоатомные молекулы привело к созданию метода валентных связей, который создают в 1928–1931 гг. Л. Полинг и Дж.К. Слэтер. Основная идея этого метода заключается в предположении, что атомные орбитали сохраняют при образовании молекулы известную индивидуальность. В 1928 г. Полинг предложил теорию резонанса и идею гибридизации атомных орбиталей, в 1932 г. – новое количественное понятие электроотрицательности.

В 1929 г. Ф. Хунд, Р. С. Малликен и Дж. Э. Леннард-Джонс заложили фундамент метода молекулярных орбиталей, основанного на представлении о полной потере индивидуальности атомов, соединившихся в молекулу. Хунд создал также современную классификацию химических связей; в 1931 г. он пришёл к выводу о существовании двух основных типов химических связей – простой, или сигма-связи, и пи-связи. Э. Хюккель распространил метод МО на органические соединения, сформулировав в 1931 г. правило ароматической стабильности, устанавливающее принадлежность вещества к ароматическому ряду.

Благодаря квантовой механике к 30-м годам XX века в основном был выяснен способ образования связи между атомами; кроме того, в рамках квантово-механического подхода получило корректную физическую интерпретацию менделеевское учение о периодичности. Создание надёжного теоретического фундамента привело к значительному росту возможностей прогнозирования свойств вещества. Особенностью химии в ХХ веке стало широкое использования физико-математического аппарата и разнообразных расчётных методов.

Подлинным переворотом в химии стало появление в XX веке большого числа новых аналитических методов, прежде всего физических и физико-химических (рентгеноструктурный анализ, электронная и колебательная спектроскопия, магнетохимия и масс-спектрометрия, спектроскопия ЭПР и ЯМР, хроматография и т.п.). Эти методы предоставили новые возможности для изучения состава, структуры и реакционной способности вещества.

Отличительной чертой современной химии стало её тесное взаимодействие с другими естественными науками, в результате которого на стыке наук появились биохимия, геохимия и др. разделы. Одновременно с этим процессом интеграции интенсивно протекал и процесс дифференциации самой химии. Хотя границы между разделами химии достаточно условны, коллоидная и координационная химия, кристаллохимия и электрохимия, химия высокомолекулярных соединений и некоторые другие разделы приобрели черты самостоятельных наук.

Неизбежным следствием совершенствования химической теории в XX веке стали новые успехи практической химии – каталитический синтез аммиака, получение синтетических антибиотиков, полимерных материалов и т.п. Успехи химиков в деле получения вещества с желаемыми свойствами в числе прочих достижений прикладной науки к концу XX столетия привели к коренным преобразованиям в жизни человечества.

ХИМИЯ, греч. Наука распознавать свойства и качества тел посредством раздробления их на части и примеса к оным посторонних веществ.

ХИМИЯ (греч.), отрасль естествознания, имеющая целью исследование состава различных тел из простых элементов и законов, по коим эти простые элементы соединяются между собою и отделяются друг от друга.

ХИМИЯ – одна из отраслей естествознания, предметом изучения которой являются химические элементы (атомы), образуемые ими простые и сложные вещества (молекулы), их превращения и законы, которым подчиняются эти превращения. По определению Д. И. Менделеева (1871), "химию в современном ее состоянии можно... назвать учением об элементах". [Происхождение слова "химия" выяснено не окончательно. Многие исследователи полагают, что оно происходит от старинного наименования Египта – Хемия (греч. Chemía, встречается у Плутарха), которое производится от "хем" или "хаме" – чёрный и означает "наука чёрной земли" (Египта), "египетская наука".] >>>

АЛХИМИЯ (священное, египетское, герметическое, спагирическое искусство, Alchemie) – наука о превращении неблагородных металлов в благородные или об искусственном получении золота, – задача которой впоследствии обняла излечение всех болезней и вечное сохранение жизни, то есть приготовление всеобщей панацеи, универсального лекарства и эликсира жизни, напитка бессмертия.