ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ

ХИМИИ

Лекция 1. Основные понятия химии

1. Оъект иследований химической науки.

2. Достижения прикладной химии XVIII в.

3. Относительные массы атомов. Химические эквиваленты.

1. Объект исследований химической науки

Математики давно определили объект своих устремлений — число. Физики нашли начало своей науки в приложении законов математики к телу и его движению в пространстве. Химикам же долгое время не удавалось определить объект, на котором следует сконцентрировать усилия и изучение которого привело бы к реша­ющему успеху. Таким объектом является атом и построеннаяизатомов молекула. Однако в реальности этих частиц естествоиспы­татели убедились лишь в восемнадцатом столетии, хотя предполо­жения об их существовании выдвигали еще древние мыслители. Несмотря на многотысячелетнюю историю, только в последние два столетия химия превратилась из собрания фактов и экспериментальных данных в науку, вооруженную стройными конценпциями и теориями опирающимися на достижения физики и математики, использующую совершенные приборы и мощный вычислительный аппарат.Логика развития естествознания такова, что одна его область при своем росте обязательно опирается на достижения другой. Математика дала толчок развитию физики. За физикой наста­ла очередь химии, которая, в достаточной мере используя физико-математические представления, сама немало способствует их развитию. Вспомним хотя бы следствия открытия радиоактивных элементов и последовавший за этим пересмотр физических представленийоб окружающем мире. Надо полагать, что ближайшие десятилетия станут эпохой бурного развития биологии и медицины, залогом успеха которых является исключительный расцвет молекуляной биологии — синтеза биологии, химии, физики и математики.

Первый шаг на пути превращения химии в науку совершился лишь тогда, когда утвердилась математика и с ее помощью физи­ками были основательно изучены газы (Бойль, Мариотт, Кавендиш, Пристли, Авогадро, Канниццаро), а в недрах «великой матери» (выражение Парацельса) – медицины развилась и окрепла ятрохимия (иатрохимия). С современной точки зрения ятрохимию можно считать прикладной химией, которая, однако, изучала не только лекарства и снадобья, но и положила начало промышлен­ной химии: выделению и очистке веществ, производству стекла, фарфора, металлургии н т. п. Объединение результатов исследования газовс огромным опытом алхимиков и ятрохимиков явилось важнейшим моментом становления химии как ветви естествознания, независимойот других естественных наук.

Поворотным пунктом явились экспериментальные и теоретические работы Роберта Бойля, он первым ввел понятие «химический анализ» и разработал аналитические методы, основанные на химических. реакциях изучаемого вещества. Однако для построения количественной научной теории этого оказалось недостаточно, так как отсутствовало понятие атомной массы. Все же Бойль создал «корпускулярную философию», основы которой сформулировал в работе «Возникновение форм и качеств, согласно корпускулярной философии» (1666). В ней излагались мысли «о корпускулах или мелких частицах тел». Элементы и «корпускулы» возрождали атомистическую теориюгреческих философов, но уже на экспериментальной основе.

Результаты работ Бойля — первые шаги к поиску того самого решающего звена цепочки, которое помогло обнаружить всю стройную цепь, где увязывается теория с практикой. После его исследо­ваний становилось все более ясным, что для превращения химии из ремесла в науку, способную не только описывать факты, но и пред­видеть, необходимо сосредоточить усилия на изучении «корпускул» вещества. Так химики лишь к концу XVII в. определили объект своей науки — корпускулу-молекулу.

Работы М. В. Ломоносова в области химии и открытие и (1748) первого количественного закона новой научной химии-закона сохранения массы вещества послужили новым этапом развития химии: «Все перемены, в натуре случающиеся, такого cyть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупиться к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте».

Антуан Лоран Лавуазье в 1789 г. в своейкниге «Начальный кур химии» дал первое научное определение понятия элемента и связал с названием «элементы» или «начала тел» представление о последнем пределе, достигаемом анализом; «...но не потому, что мы могли бы утверждать, что эти тела, рассматриваемые нами как простые, не состоят из двух или большего числа начал, но так как эти начала никак друг от друга не отделяются... и мы не должны считать их сложными до тех пор, пока опыт или наблюдения не докажут нам этого». Только после того как в химии утвердилось понятие атомов, началось ее развитие как науки. По сравнению другими разделами естествознания, химия одна из самых молодых наук, насчитывающая чуть более ста лет.

2. Достижения прикладной химии XVIII в.

Химики этого времени получали все более ценные и точные сведения о свойствах и образовании разнообразных веществ: минеральных кислот и оснований многочисленных солей и соединений, металлов и особенно тех, что были открыт в это время (висмут, марганец, кобальт и никель). Был обнаружен (1772) сложный состав воздуха, открыт глицерин (1779), значительно расширена группа органических кислот. Лавуазье показал, что составными частями спирта и других продуктов брожения являются углерод, водород и кислород. В 1784 г. Торберн Улар Бергман (Швеция) утвердил среди химиков идею о принципиальном отличии органических и неорганических веществ.

Быстро расширялись сведения об органических соединениях, однако, не хватало теории, которая могла бы объяснить их природу. Это привело к тому, 41 долгое время господствовали самые противоречивые и фантастические представления. Так, например, считалось, что вещества растительного и животного происхождения образуются благодаря таинственной «жизненной силе» (vis vitalis), которая, являясь нематериальной, всегда ускользает при химических исследованиях. И лишь в 1824 г. был нанесен первый ощутимый удар по этой концепции Ф. Велер нагреванием цианата аммония (неорганическое соединение) получил кристаллическое вещество, которое он спустя четыре года признал тождественны с мочевиной — продуктом жизнедеятельности организма. Однако окончательный отказ от представления о «жизненной силе» стал возможен лишь в середине XIX в. после работ М. Бертло и А. М. Бутлерова и особенно когда Э. Бюхнер доказал, что экстрагированные из дрожжей ферменты (биокатализатор) переваривают крахмал так же хорошо, как и сами дрожжевые клетки.

Открытия выдающихся химиков XVIII в. способствовали развитию врачебной фармацевтической химии, так как многие из ученых-химиков были также фармацевтами (Шееле, Жоффруа и др.). Например, Глазером был найден простой и дешевый способ получения известного с XIV в. сульфата калия (купоросная селитра, купоросный винный камень). Эту соль (sol polychrestum) стали получать нагреванием нитрата калия с серой. Было налажено широкое производ­ство «эпсомской соли» (впервые выделена из эпсомской воды в 1695 г.), которая стала более известна под названием английской или горькой соли.

Белая магнезия — карбонат аммония и основной карбонат магния — широко применялись и приготовлялись очень простыми методами. Была открыта одна из первых фотохимических реакций. Знаменитые бестужевские капли (tinctura tonica—nervina Bestuschewi), получившие повсеместное распространение, на свету обесцвечивались: хлорид железа (III) (водный раствор которого в смеси спирта с эфиром и составляет эти капли) под действием света восстанавливается до хлорида железа (II). Французским хирургом Тома Гуляром были введены в практику свинцовые примочки — vegeto-mineralis — растительно-минеральная вода для примочек: раствор основного ацетата свинца (РbОНСН₃СОО) с добав­кой винного спирта. Стали появляться и книги, популяризующие фармацевтиче­ское искусство: «Фармацевтический словарь» (1728) В. Капеллы, «Элементы тео­ретической и практической фармации» (1762) Боме, «Учебник аптекарского ис­кусства» (1778) Хагена. Эти и ряд других книг по значению не уступали научным трактатам других естественных дисциплин.

 

3. Относительные массы атомов. Химические эквиваленты

Понятие относительных масс в химию ввел Джон Дальтон (1766—1844). Он в начале XIX в. впервые в истории химии попы­тался составить формулы веществ, показал важность определения относительных масс частиц, составляющих простые и сложные ве­щества. Атомы, составляющие данный элемент, одинаковы, утверж­дал Дальтон, но атомы разных элементов отличаются наряду с другими индивидуальными свойствами еще и массой. Простые ве­щества состоят из неделимых, а сложные – из «сложных атомов», способных распадаться при реакциях на простые конечные части­цы. Масса «атома» сложного вещества равна сумме масс атомов простых веществ, из которых он состоит. В качестве сравнительного эталона—единицы массы—Дальтон предложил принять массу атома самого легкого газа — водорода. Идея об относительных массах оказалась на редкость жизнеспособной. Ею и сейчас руко­водствуются химики и физики. Правда, изменилась единица изме­рения — эталоном является 1/12 часть атома изотопа углерода ¹²С— углеродная единица (у. е).

Благодаря работам Дальтона вопрос о массе атомов из обла­сти философских рассуждений переместился в область эксперимен­та. Разложением веществ на составные части и последующим взве­шиванием определяли, сколько весовых частей данного простого вещества приходится на 1 массовую часть водорода, т. е. на 1 атом в соединении. Полученные числа представляли относительные мас­сы атомов элементов, способных образовывать соединения с водо­родом. Если элемент непосредственно с водородом не реагировал, то относительную массу его определяли по его взаимодействию с элементом (например, с кислородом), о котором известно, в какой пропорции он соединяется с водородом.

Однако оказалось, что одни и те же элементы (например, угле­род и кислород, углерод и водород и т. д) могут образовывать меж­ду собой несколько соединений. Для атомной массы такого элемента получалось несколько значении, и не ясно было, какое из них надо брать в качестве истинного. Даже когда путем анализа удавалось определить число массовых частой элемента, приходя­щихся в соединении на 1 мас.ч. водорода, все же невозможно было определить формулу соединения, так как неизвестно, сколько ато­мов составляют данное число массовый частей. Например, если установлено, что в воде на 1 мас.ч. водорода приходится 8 мас. ч. кислорода, формула воды при таком соотношении может быть раз­личной. Если атомная масса кислорода 4, то в одну молекулу воды входят два его атома — НО₂. Если атомная масса 8, то один атом — НО. Если атом кислорода в 16 раз тяжелее атома водорода, то формула воды Н₂О. Для правильного выбора одной из этих фор­мул никакого критерия нет.

Гипотеза Дальтона привела лишь к определению относительных атомных масс по водороду. Позже атомные массы по Дальтону стали называть эквивалентами Э. Чтобы определить атомную массу А в у. е., надо эквивалент Э умножить на небольшое целое число п, которое стали именовать термином — «валентность».

А = Эn.

Так, благодаря относительным массам, введенным Дальтоном, по­явилось в химии первое понятие валентности. Химическим эквива­лентом называется число массовых частей вещества или элемента, соединяющееся или заменяющее в реакциях 1, 008 мас.ч. водорода или 8 мас.ч. кислорода. Понятие эквивалента позволило сформу­лировать закон эквивалентов. Окончательную формулировку этого закона после ряда исследований дал И. В. Рихтер. Элементы и ве­щества соединяются друг с другом в количествах прямо пропорцио­нальных их химическим эквивалентам

m₁ / m₂ = Э₁ / Э₂,

где m₁ и m₂— массы; Э₁ и Э₂— эквиваленты соединяющихся ве­ществ.

Пример 1. По процентному составу оксида свинца; 92, 83% свинца и 7, 17% кислорода (Эо₂ = 8) найти эквивалент свинца.

Решение.

Э_Pb = Э_Pb =

Для практических задач удобнее пользоваться грамм-эквива­лентом: количество граммов вещества, численно равное химическо­му эквиваленту. Знание эквивалента необходимо при расчете кон­центраций в растворах и при вычислениях, связанных с химически­ми реакциями

Э_ЭЛ = ; Э_кисл = ; Э_осн = ;

Э_соль = Э_оксид =

где n_ЭЛ – степень окисления элемента; n_Hчисло атомов водорода и n_он – количество гидроксильных групп в соединении; n_ме – сум­марная степень окисления металла в соединении; Э_эл, Э_кисл, Э_осн, Э_соль и Э_оксид – эквиваленты соответственно элемента, кислоты, основания, соли и оксида.

Пример 2. Определить эквивалентысерной кислоты и серы в ней, гидроксида кальция, сульфата алюминия.

Решение.

Э = 98/2 = 49 мас.ч.; Э + 6 = 32/6 = 5, 3 мас.ч.

Э = 74/2 = 37 мас.ч.; Э = 342/6 = 57 мас.ч.

При любом химическом взаимодействии 1 экв одного вещества всегда реагирует с 1 экв другого. Это справедливо и для общего эквивалента раствора или смеси веществ.