ИСТОРИЯ И ФИЛОСОФИЯ ХИМИИ

8.Почему мышление алхимиков и алхимические тексты символичны? Как это связано со средневековой культурой?

9.Итальянский историк химии Микеле Джуа считает, что алхимия представляет собой первую попытку рационализировать химические знания на основе общего принципа. С другой стороны Э. Мейер пишет, что «… на химию как науку алхимические учения оказали ничтожное влияние»? Какую из этих точек зрения вы разделяете и почему?

10.Какую роль играли в ятрохимии Парацельса ценности симпатии, антипатии, сродства, взаимопомощи и др.?

11.Как связано возникновение флогистонной химии с тем, что в XVIII в. начала бурно развиваться химическая технология?

12.Как с точки зрения теории флогистона объяснялись процессы окисления и восстановления?

13.Как получилось, что флогистонная химия, в объяснительных конструкциях которой не было ни грана истинности, просуществовала почти полтора века и пользовалась такой популярностью? Можно ли считать ее первой научной химической теорией?

14.А. Азимов пишет: «В химии переход от простого качественного описания к тщательному количественному измерению был осуществлен лишь столетие спустя после открытия Ньютона». Чем объясняется этот факт?

15.Кто открыл кислород: Резерфорд, Пристли, Шееле или Лавуазье?

16.Начиная с какого периода можно говорить о возникновении химии как науки?

17.Каковы предпосылки создания кислородной теории А. Лавуазье? Почему это открытие называют «революцией в химии»?

18.Каковы принципы новой химической номенклатуры А. Лавуазье? Какие из них сохранились до сих пор?

Темы рефератов

1.Возникновение химии. Первые химические вещества и первые химические превращения.

2.Античная натурфилософия. Элементы Эмпедокла.

3.Античная натурфилософия. Атомы Левкиппа и Демокрита.

4.Начала теоретической химии в работах Платона и Аристотеля.

5.Алхимия как феномен средневековой и ренессансной культуры.

6.Алхимия арабская и западная.

7.Ятрохимия и ятрохимики. Парацельс о задачах химии.

41

8.Флогистонная теория Г. Шталя и ее роль в истории химии.

9.А. Лавуазье и его роль в революционном преобразовании химии.

10.Т. Кун о проблемах и специфике химической революции.

11.Основоположники научной химии – Бойль, Лавуазье или Дальтон?

12.Эволюция химического эксперимента: от пробирного искусства до современного эксперимента.

Литература

Азимов А. Краткая история химия: Развитие идей и представлений в химии. – СПб., 2002.

Визгин В. П. Возникновение и развитие натурфилософских представлений о веществе / Всеобщая история химии. Возникновение и развитие химии с древнейших времен до XVII века. – М., 1980.

Визгин В. П. Научная революция в химии: факторы запаздывания // ВИЕТ, 1993. – №

1.

Гомперц Т. Греческие мыслители. – СПб., 1911. Джуа М. История химии. – М., 1975.

Жмудь Л. Я. Зарождение истории науки в античности. – СПб., 2002. Канке В. А. История и философия химии. – М., 2011.

Клишина С. А. Ложные теории в химии и их эвристическое значение // Исторический вестник РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2010. – № 3 (32).

Клишина С. А. Мифология и химия // Актуальные проблемы химикотехнологического образования. ФГОС ВПО – опыт работы двух лет. – М., РХТУ им. Д.И. Менделеева, 2013.

Курашов В. И. История и философия химии. – М., 2009.

Лавуазье А. Л. Экспериментальный метод. Введение к элементарному курсу химии / А. Л. Лавуазье. Мемуары… – Л., 1931.

Мейер Э. История химии от древнейших времен до настоящих дней. – СПб., 1899. Рабинович В. Л. Алхимия как феномен средневековой культуры. – М., 1979. Рожанский И. Д. Анаксагор. У истоков античной науки. – М., 1972.

Свинцовые врата алхимии. История, символы, практика. – СПб., 2002. Фигуровский Н. А. История химии. – М., 1979.

Химия с историко-философской точки зрения. – Казань, 2008. Штрубе В. Пути развития химии: в 2-х томах. – М., 1984.

Черемных Н. М., Клишина С. А. История и философия химии: учеб. пособие. – М.,

2009.

42

.

Тема 3. ПЕРВАЯ КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ СИСТЕМА ХИМИИ. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О СОСТАВЕ

Проблема химического элемента. «Корпускулярная философия» Р. Бойля. Концепция химических элементов Лавуазье. От системы Лавуазье к атомистике Дальтона. Возникновение учения о химическом сродстве. Развитие стехиометрии: спор Пруста и Бертолле. Первые количественные законы химии. Закон эквивалентов (И. Б. Рихтер). Закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст). Закон кратных отношений (Дж. Дальтон). Атом и молекула: проблемы определения.

Периодическая система элементов Д. И. Менделеева: прогнозы и открытия. Создание и развитие учения о валентности (А. Кекуле, А. М. Бутлеров). Решение проблемы химического соединения.

Первая концептуальная химическая система – учение об элементах и их соединениях. Специфика способа решения основной проблемы химии в рамках учения о составе.

Трактовка химического элемента Р. Бойлем, М. В. Ломоносовым, А. Лавуазье

Две важнейшие проблемы решались в русле учения о составе (и они актуальны до сих пор) – проблема химического элемента и проблема химического соединения.

Обе они связаны с решением задачи генезиса, обусловленности свойств вещества. Проблема формулировалась примерно так: от чего зависят свойства многочисленных веществ, можно ли менять эти свойства и если можно, то каким способом? Другая проблема была не менее важной. Что собой представляют эти вещества – простые гомогенные тела или они состоят из различных элементов, отличающихся индивидуальностью? Можно ли выделить эти части – элементы и могут ли они существовать самостоятельно в виде особой химической индивидуальности? Как решалась эта проблема в донаучный период эволюции химического знания и в период становления химии как науки? Актуальность проблемы, пишет В. И. Кузнецов, объясняется необычайно богатым содержанием понятий «химический элемент» и «химическое соединение» и необходимостью объяснить индивидуальность всего многообразия химических веществ. Ведь в сочетании ста с небольшим химических элементов скрыта возможность формирования всего этого вещественного богатства.

Понятие химического элемента возникло в XVII веке, рождаясь в острой борьбе с натурфилософскими, античными и алхимическими концепциями элементовкачеств и элементов-принципов. Напомним, что, согласно этим идеям, новые материалы можно было получить не через изменение их состава, а путём прибавления или отнятия элементов-качеств: сухости или влажности, текучести и горючести,

43

блеска или тусклости. Но бурно развивающуюся в XVII веке химическую практику такие спекуляции не устраивали.

Учение о химических элементах создавалось медленно. На пути к научному пониманию элемента стояла масса предрассудков и устойчивых стереотипов. Ведь даже такой древний элемент, как железо, считался сложным телом. Как ни странно, но одним из таких препятствий на пути к научной трактовке химического элемента стала и атомно-молекулярная гипотеза. Тут и возникает очень неоднозначная для истории химии фигура английского химика Роберта Бойля. Бойль делает из химии науку – этот штамп приклеился к нему очень давно, а в советские времена благодаря соответствующей цитате из Фридриха Энгельса стал неприкосновенным. Но на самом деле все не так просто. Одно из самых важных для науки сочинений Бойля – «Химикскептик» (1661 г.).

У Бойля был особый взгляд на химию: он считал её самостоятельной наукой, отличной как от алхимии, так и от медицины. Химики, говорил Бойль, до сих пор руководствовались чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного горизонта; они усматривали свою задачу в приготовлении лекарств, в извлечении и превращении металлов. Я смотрю на химию, говорил Бойль, с совершенно другой точки зрения; я смотрю на нее не как врач, не как алхимик, а как должен смотреть на нее философ; я начертал здесь план химической философии, который надеюсь выполнить и усовершенствовать своими опытами и наблюдениями. Эксперимент и тщательное наблюдение – вот основа всех научных спекуляций. Вот почему Мейер и другие историки химии считают Бойля наследником эмпиризма Фрэнсиса Бэкона. Но, в отличие от Бэкона, Бойль, судя по всему, не доверял индуктивному методу мышления. Все его физические и особенно химические исследования опирались на разработанную им корпускулярную теорию. Эти исследования вели Бойля к объяснению химических превращений на основе понятия элемента.

Подавляющее число историков химии считало, что Р. Бойль дал первое научное определение химического элемента как предела разложения вещества, положив его в основу объяснения всех химических процессов. В результате химия стала определяться как наука, изучающая в первую очередь химические элементы и их соединения. Но, по мнению Т. Куна, такая трактовка иллюстрирует образец исторических ошибок, которые вводят в заблуждение как студентов, так и отчасти профессионалов. Кун напоминает, что, согласно Бойлю, его определение элемента не более чем парафраза традиционного химического понятия. И Бойль предложил его только для того, чтобы доказать, что никаких химических элементов не существует.

44

Кун считает, что такая трактовка учения Бойля – пример презентизма в истории науки, то есть её модернизации. Кто прав и действительно ли Бойль дал новаторское определение элемента или повторил спагирическое определение, этот вопрос остаётся спорным по сей день.

Бойль действительно сомневался в том, что такие тела, которые постоянно встречаются во всех телах, о которых говорят как о составных, существуют на самом деле. Его вера в трансмутацию металлов также подтверждает это соображение. Как убеждённый сторонник кинематического корпускуляризма, Бойль склонялся к антиэлементаристской гипотезе: кластеры, определяющие свойства тел, лабильны и разложимы. Практически неразложимыми являются не кластеры, а первичные частицы – minima или prima naturalia, которые, однако, в силу своей гомогенности не могут быть индивидутальными элементами. Эти частицы делимы лишь мысленно или всемогуществом Бога, но в силу их малости и прочности их природы они вряд ли когда разделяются. Разделяются кластеры, в которые prima naturalia способны объединяться. Так думал Бойль – теоретик. Но, как справедливо замечает И. С. Дмитриев, Бойль – практик вынужден был признать существование инвариантов состава. Без этого представления об элементах химик – практик обойтись не мог. Поэтому практик Бойль, отвергая аристотелевское и алхимическое представления об элементах, утверждает, что элементы есть неразлагаемые дальше составные части тел.

Его корпускулярная теория стремится отчасти опереться на химические факты. Так, наблюдая изменения некоторых тел при действии определённых реагентов, которые разрушают природу этих тел, но не их «сущность», Бойль заключил, что «корпускулы», из которых образованы тела, остаются неизменными при различных превращениях последних. Например, если мы действуем на золото царской водкой, а на серебро, медь и ртуть – азотной кислотой, то видим, что эти металлы исчезают, но их корпускулы, растворённые в кислоте, должны оставаться без изменений, потому что из этих растворов можно снова получить исходные металлы. Отсюда видно, что, по сути дела, под корпускулами Бойль понимал атомы, заимствовав их идею у древнегреческих атомистов. Тела возникают благодаря сродству или притяжению атомов, обладающих тремя основными свойствами – формой, величиной и движением. Образующиеся из них корпускулы бывают двух видов – первичные и вторичные. Первичные корпускулы – это элементы, т.е. непосредственные начала различных тел. При их объединении возникают химические соединения и смеси. Корпускулярная теория позволяла Бойлю объяснить и различия в агрегатных состояниях тел.

45

Но корпускулярная теория Бойля казалась многим слишком абстрактной и спекулятивной, и прежде всего потому, что отсутствовало понятие атомного веса. Механистическая философия также казалась далёкой и чуждой многоцветью и индивидуализму химического мира. Г. Шталь писал с иронией: «…если бы кто-либо захотел приготовить селитру и начал бы размышлять о всевозможных фигурах и их сочетаниях, он никогда бы ничего не добился; но если взять обыкновенную соль, жирную землю и проделать определенные операции, то селитру получить нетрудно…. Абстракции в химии пользы не приносят».

Таким образом, мы видим, что в истории с учением Бойля столкнулись две мощные установки – эмпирическая, индуктивистская и гипотетико-дедуктивная, которую многие считали спекулятивной и для целей химической практики не пригодной. Этим в значительной степени и объясняется победа флогистонной теории Шталя.

Ставя все представления о реакциях окисления-восстановления на голову, теория Шталя в то же время раскрывала взаимную связь между элементами и их соединениями – оксидами. В поисках неуловимого флогистона надо было неоднократно взвешивать вещества до и после реакций. Таким образом, являясь по сути качественной теорией, теория флогистона способствовала развитию количественных исследований, что очень ценил, в частности, М. В. Ломоносов.

Ломоносов пытался соединить обе названные тенденции в познании химических элементов, которых с каждым годом становилось всё больше (к 1750 г. – 16, к 1755 г. – 24). Настаивая на необходимости смелее пользоваться гипотезами, а не плестись в хвосте фактов, Ломоносов возрождает корпускулярную философию. Все вещества состоят из корпускул – молекул, которые в свою очередь составлены из элементов – атомов. Фазовые переходы, взаимодействие разных жидкостей при разных температурах, воздействие теплоты на физические и химические явления он объясняет с единых позиций – движением и изменением корпускул.

В отличие от Ломоносова, Лавуазье настаивает на эмпирической трактовке химического элемента, решительно отвергнув какие-то бы ни было внеэмпирические суждения об атомах и молекулах. В своём учебнике Лавуазье пишет: «…если названием элементов обозначить простые и неделимые молекулы, составляющие тела, то, вероятно, что мы их не знаем; если же, напротив, мы свяжем с названием элементов или начал тел представление о последнем пределе, достигаемым анализом, то все вещества, которые мы ещё не смогли никаким образом разложить, являются для нас элементами». Далее он уточняет, что это не означает, будто эти элементы – простые тела, они могут быть и сложными. Просто их начала никак друг от друга не

46

отделяются, вернее, мы не имеем никаких средств их разделить. В подобной трактовке элементов – все недостатки эмпирико-позитивистской концепции научного знания. Эта методология ставит научные понятия и теории в прямую зависимость от эмпирического материала. Не должно поэтому удивлять, что к элементам Лавуазье отнес не только кислород, водород, серу, семь известных тогда металлов, но и известь, магнезию, кремнезём, барит, радикалы кислот и другие вещества, которые тогда не поддавались разложению.

Во всех случаях Лавуазье говорит лишь о химическом составе тел и о зависимости свойств тел от их элементарного состава. И эту зависимость, как мы помним, он во всех случаях пытается квантифицировать. Это чрезвычайно важно. В дальнейшем эти две тенденции все время пересекаются. Ясно, что недостаток эмпирико-аналитической трактовки – в её полной зависимости от уровня аналитической техники. Совершенствуется техника – меняется и понятие элемента. Атомно-теоретическая концепция тоже развивается. Обычно выделяют две стадии в её развитии: до открытия и после открытия Д. И. Менделеевым периодического закона химических элементов.

Основные стехиометрические законы химии и их роль в трактовке элемента

Важнейшее достижение первого этапа формирования понятия химического элемента – открытие стехиометрических законов. Первый закон, открытый немецким химиком Рихтером, – закон эквивалентов. Согласно ему элементы химически взаимодействуют между собой не в произвольных, а в строго определённых количествах, сохраняющихся в виде неизменных пропорциональных чисел (эквивалентов) при переходе от одного сложного тела к другому. Рихтер и ввёл термин «стехиометрия» – от греческого слова «стехион» – начало, элемент.

Второй закон – закон постоянства состава – открыл французский химик Жозеф Луи Пруст. Согласно закону постоянства состава состав веществ не зависит от способов их получения и является постоянным.

И, наконец, третий закон – закон простых кратных отношений, открытый Джоном Дальтоном. Этот закон и объяснил первые два. Если два элемента образуют между собой несколько соединений, то весовые количества одного элемента, соединяющиеся с одним и тем же количеством другого, относятся между собой как простые целые числа. При этом Дальтон исходил из идеи о том, что химическое взаимодействие элементов сводится к соединению неделимых атомов в простейшие дискретные частицы сложных тел. Таким образом, в атомистике Дальтона

47

качественные характеристики элемента и его количественные характеристики соединились.

Спор о химической организации вещества: дискретность или непрерывность?

Стехиометрические законы – краеугольный камень всей химии. Но именно – камень. Атомистика Дальтона заложила основы идеи о дискретности химического сродства. Представление о дискретности химической организации вещества стало преобладающим. А растворы, сплавы, смеси химическими соединениями не считались. Вступивший в полемику с этими представлениями Клод Бертолле потерпел сокрушительное поражение. В 1801 г. он опубликовал итоги своих исследований. Основные положения его концепции следующие:

-эффект химического действия веществ определяется взаимным сродством этих веществ и массой реагирующих веществ;

-их произведение называется химической массой;

-состав образующихся соединений зависит от этих двух факторов и в общем случае должен быть переменным, что особенно характерно для растворов и сплавов.

Бертолле, подчеркивает В. И. Кузнецов, не видел принципиальной разницы между природой сил сцепления элементов в растворах и в так называемых истинных со Бертолле, подчеркивает В. И. Кузнецов, не видел принципиальной разницы между природой сил сцепления элементов в растворах и в так называемых истинных соединениях. Это была ересь, и на Бертолле обрушилась мощная критика, прежде всего со стороны Пруста. Дискуссия длилась около восьми лет. В результате идея дискретности победила.

Но эта победа не стала окончательной. Как это часто бывает в науке, к отвергнутой идее вернулись. По сути, Бертолле сформулировал исследовательскую программу, которая была реализована позднее. Работы, в которых обосновывается идея о непрерывности химической организации вещества, появились во второй половине XIX века и в XX веке. Значительную роль в этом отношении сыграли работы Менделеева по интерпретации растворов. Как известно, Менделеев считал растворы истинными химическими соединениями переменного состава.

В XX веке появляются работы академика Н. С. Курнакова, возродившие идеи Бертолле. С помощью разработанного им метода физико-химического анализа Курнаков изучил такие химические системы, которые были недоступны при старых методах анализа. Физико-химический анализ позволил осуществить измерение

48

результате этого стало возможным получать графическое изображение состояния этой системы при непрерывном изменении концентрации взаимодействующих компонентов. Часть получающихся при этом веществ подчиняется закону постоянства состава, и эти вещества были названы Курнаковым дальтонидами. Другая часть не отвечает этому закону, их состав оказывается переменным. Это бертоллиды, образующие бертоллидную фазу. Структура в них неотделима от динамики. Наиболее яркий пример динамичности бертоллидов демонстрируют поверхностные соединения, представляющие собой одновременно и предметы, и процессы хемосорбции и десорбции.

В дальнейшем в квантовой химии был обоснован вывод о непрерывности химических отношений и переменном составе химических соединений бертоллидного типа.

Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева

Вторая стадия в развитии учения об элементах связана с открытием Д. И. Менделеевым периодического закона. Начало одного из крупнейших в истории химии открытий датируется статьей Д. И. Менделеева «Соотношение свойств с атомным весом элементов», опубликованной в 1869 г. Статья начинается словами: «Систематическое распределение элементов подвергалось в истории нашей науки многим разнообразным превратностям. Наиболее распространённое разделение их на металлы и металлоиды опирается как на физические различия, замечаемые между многими простыми телами, так и на различия в характере окислов и соответственных им соединений».

Периодический закон обосновал все стехиометрические законы. Но открытие периодического закона создало почву для принципиально нового решения проблем, относящихся не только к учению о химических элементах, но и к химии в целом, т.е. к учению о химических элементах, их соединениях и превращениях.

История и значение периодического закона хорошо известны. Напомним лишь самые важные моменты, имеющие отношение к нашей теме. Работа Менделеева после открытия им периодичности свойств элементов была направлена на поиски наиболее совершенных форм выражения этого закона. От первоначального признания определяющей роли атомной массы при построении системы Менделеев перешёл к признанию детерминирующего значения места элемента в системе по отношению ко всем свойствам элементов, в том числе, и атомным массам. Клетка в периодической системе – сама системный объект, представляющий и атомный вес, и всю совокупность свойств элемента.

49

С открытием периодического закона появляются основы целостного учения о реакционных свойствах химических элементов. Свойства стали уточняться. Но уточнялись не только свойства элементов. Учение о реакционных свойствах элементов в свете периодического закона нельзя изолировать от общей проблемы соотношения состава и свойств сложных тел, то есть химических соединений. Закон дал возможность перейти от неупорядоченных сведений о бесчисленном множестве соединений к системе знаний об определённых группах и семействах элементов и соответствующих им соединений. Вместо произвольного описания разнообразных металлов появилась система знаний о носителях, занимающих определённые места в таблице, металлических, амфотерных и металлоидных свойств.

Вместо хаотических сведений о кислотах и щелочах появилась возможность выявить общие закономерности формирования кислотных и основных свойств различных оксидов и гидридов в зависимости от места элементов, из которых они образованы. Идя по горизонталям, вертикалям, диагоналям таблицы, можно выявить общие тенденции образования химических соединений и более или менее точно предсказать их свойства. Иначе говоря, открытие периодической системы позволило создать соответствующую ей систему теоретических представлений о зависимости свойств соединений от их элементного состава. Это редкий случай в химии – когда фундаментальные исследования и теории опережают эмпирические исследования и являются их основой.

Квантовая химия и учение об элементах. Эволюция понятия валентности

Подведение квантово-химических основ под закон периодичности усилило эвристическую мощь закона. В основу представлений об аргументах периодичности были положены понятия о заряде ядра атома, о численно равном ему порядковом номере и о соответствии между числом электронов в оболочках атомов и положительным зарядом ядра.

Очень важные изменения квантовая химия внесла в понятия элемента и состава соединения. Химическим элементом стали называть совокупность лишь тех атомов, которые обладают одинаковым зарядом ядра. В эту совокупность включаются и изотопы – атомы с различной атомной массой. И так как при химических превращениях любой атом сохраняет заряд ядра, он всегда остается атомом данного химического элемента. Но при этом он вовсе не остаётся неизменным: переходя из соединения в соединение и изменяя свою электронную оболочку, которая является ответственной за химизм, атом изменяет свою реакционную способность как часть

50