Глава 1. Подходы к пониманию состава вещества.
1.1 Учения древнегреческих учёных
Древнегреческие философы были впечатлены тем фактом, что, хотя всё, кажется, в конечном итоге распадается, в то же время развиваются регенеративные процессы, которые обеспечивают вечность мира. Их интересовали проблемы основ бытия. Постоянно развивающаяся древнегреческая школа философии V века до н.э. была сконцентрирована в Афинах, что объединяло все умы того времени в одном месте. Поиски состава материи как древнегреческих, так и индийских философов, к V веку до н.э. помогли открыть 11 чистых элементов: Cu, Ag, Au, Pb, Sn, Fe, C, Sb, Hg, Zn и S. Бытующее на тот момент мнение о делимости материи на бесконечное количество фрагментов (Анаксагор) не могло согласоваться с известными чистыми веществами. Атомная концепция была великим научным созданием человеческого разума, которая давала лёгкое объяснение широкого спектра явлений ? от смешивания вина в воде, странствующего аромата или распространяющегося огня до мистической силы магнезиана тянуть железо и многое другое. Наиболее полная картина мира, увиденная глазами древнего атомщика, дошла до нас в уникальном трактате: стихотворение Лукреция «Природа природы», написанное в первом веке до нашей эры. Лукреций, включивший в это стихотворение основные положения Атомной теории Эпикура, нисходящая с незначительными изменениями от в основном утраченной атомной теории Демокрита. Данное мнение подвергалось большому количеству критики со стороны философов, предполагавших обратное, что привело к рождению такого направления, как атомизм, основоположником которого является Демокрит. Как считал Демокрит: «На самом деле существуют только атомы и пустота». Он называл атомы бытием, а пустоту небытием, высказав парадоксальную мысль: «Бытие не более существует, чем небытие». Это был важный пункт в теории атомизма, который поддержали Аристотель, Платон и Эпикур [1].
«Тот факт, что эти неразрушимые элементы не видны, не должен заставлять нас сомневаться в их существовании. Есть много повседневных фактов, которые включают невидимые материалы. Например, ветер, сила которого поднимает волны в море, поднимает огромные облака в небо и иногда выкорчевывает деревья в лесах. Запахи, которые мы ощущаем, тепло и холод, которые мы чувствуем, а также звуки, которые мы слышим. Все они носят материалистический характер, иначе они не затронут наши чувства. Одежда у моря промокает, но под жарким солнцем становится сухой, хотя мы не можем видеть приход или уход влаги. Золотое кольцо вокруг чьего-то пальца с годами истончается, камень под основанием изгибается каплями воды, острый край плуга истончается при использовании, плиты на поверхности дороги рвутся подальше от шагов прохожих, хотя наше видение не может выявить маленькие «зёрна», которые были удалены. То же самое верно для противоположного процесса, постепенного увеличения вещей, которые мы наблюдаем в природе» [1]. Атомисты исходили из учения Парменида о неизменности бытия, но пришли к иным результатам. Они не считали возможным, чтобы теории оbстроении бытия находились в противоречии с наблюдаемыми явлениями. К элеатскому постулату противоречивости о бесконечном делении материи они добавили второй постулат, имеющий принципиальное значение для науки: соответствие результатам опыта. Тем самым, как говорил Аристотель, они сделали возможной физику, заложили основы для науки, понимаемой как теория, объясненная через принципы и подтвержденная опытом. Эта методическая установка привела их к следующему выводу: материя состоит из атомов.
Взгляды ·атомизма не отражали основной особенности химических свойств каждого ·элемента, поэтому Аристотель ·предполагал, что все вещества образованы сочетанием четырёх первоначал: земли, воды, воздуха и огня, причисляя каждому элементу определённую форму в соответствии с его физическими свойствами, соответствующей планете и магическим свойствам. Как указывает сам греческий термин, ·атомы ? неделимые частицы, которые, по мнению философов древней Греции являются неизменными; они могут перемещаться в пространстве, создавая ·всякий раз изменяющийся, новый облик мира [1, 2].
Сравнивая атомистическую теорию Демокрита с современными теориями строениями мира, можно заметить не очень существенные отличия. Отличия основываются на том, что Демокрит видел в природе неограниченное количество видов атомов, тогда как более поздняя теория его учеников ·сокращает их число до ·нескольких десятков. Демокрит не делил атомы на группы, хотя он говорил о «двойных атомах», и его атом выполнял те же функции, которые в современной теории выполняют частицы. Не зная законов тяготения, Демокрит механически понимал связи между атомами: его ·атомы держались друг за друга различными крючочками, дырочками, усиками. Для него атомы являлись реальным бытием и объектом истинного знания [3].
Естествознание всецело было определённой частью философских течений, поэтому теория и взгляды атомизма коснулись не только учения об атомах как неделимых частицах, но ·и ·взглядов причин природных процессов и причин существования живых существ. С заслуживающей уважения последовательностью ·и в соответствии ·со своей причинной ·программой трактовал явления Демокрит. Небо он понимал так же, как и землю. Он не признавал различий ·между земной и небесной ·природой, между земной сферой и звёздными сферами, различий, которые играли большую роль до Демокрита и ·после него и были ·настолько усилены Аристотелем, что потребовалось· двадцать веков, чтобы от ·них освободиться. ·Вместе с тем Демокрит предвосхитил ·мысль о ·непривилегированном ·положении Земли, мысль, которая с давних времен· овладевала ·разумом. Он допустил, что Земля не является единственной планетой, на которой есть жизнь; возможно, что только некоторые планеты не имеют для неё условий, в частности, воды. Демокрит считал, что ·миров бесконечное множество и ·что одни из них развиваются, а другие находятся в состоянии увядания. Единообразие трактовки всех явлений ·Демокрит проводил ещё ·дальше — душу он трактовал так же, как и тело. Психические ·явления объяснялись так же, как и телесные, — как состояния и ·движения атомов. Душа ·состоит из ·атомов, отличающихся от ·атомов, из ·которых состоит ·тело, только тем, что они очень мелки, правильны по ·форме и подвижны. В конечном ·счёте это те же атомы, из которых состоит огонь. Посредством дыхания атомы души обновляются. Сон и летаргия есть результат частичного, а смерть — полного исчезновения атомов души. Ощущение представляет собой проникновение атомов внешнего мира в органы чувств: звук ? это уплотнённый воздух, проникающий в ухо; зрительные образы ? это части предметов, являющиеся их подобиями, которые отделяются от предметов и достигают внутренности глаза.
Атомная теория была последней стадией материалистического взгляда на мир, в котором даже душа была сделана из особенно маленьких и мелких атомов, рассеянных в теле, пока оно было живым, распространялось и растворялось со смертью. Боги были далеки и равнодушны к людям или любым другим вещам, факт, который был обнаружен многими дефектами мира. Живые существа были теми, кто оказался наиболее успешным в обмене атомами с окружающей средой, люди стали цивилизованными благодаря постоянным усилиям, приняв способы, которые методом проб и ошибок оказались для них полезными.
Роль атомистов в философии состояла в создании теории о наличии неделимых частиц – атомов; возникновении и выдвижении догадок о строении вещества. Основным тезисом данной теории было утверждение с состава материи, которое нельзя делить бесконечное количества раз. Атомам нужен фон (пустота), в котором они могут объединяться. Затем атомы остаются вместе, пока какая-то большая сила окружающей среды не разлучит их, после чего они возобновят своё постоянное движение. Случайным кажется формирование мира, и всё же многие миры были, есть и будут сформированы атомным столкновением и слиянием. Однако, когда мир сформирован, всё происходит по необходимости – причинные законы природы диктуют ход мира природы. Теория оказалась простой, объясняющей огромное количество явлений и имеющая неоспоримые ·преимущества перед другими имеющимися теориями материи [1-3].
1.2. Накопление и начало систематизации знаний о свойствах элементов в античной науке Древнего Египта и стран Востока.
К концу III века до н.э. большая часть трудов Аристотеля, Платона и натурфилософов-атомистов была перевезена греками в Египет, тем самым центром научного и культурного мира становится Александрия. Птолемей Сотер, соратник Александра Македонского, ставший после смерти последнего (323 до н.э.) царём Египта, основал Александрийскую академию, которая вместе с созданным при ней крупнейшим хранилищем античных рукописей – Александрийской библиотекой (около 700 000 рукописей) – просуществовала около тысячи лет (до VII в. н.э.). С академией связаны имена таких выдающихся мыслителей античности, как Евклид, Архимед, Птолемей.
Перенос трудов натурфилософов в Александрию был не случаен. В Египте было развито ремесленное дело по получению чистых химических элементов (Au и Cu) и соответствующих рудных источников. В последствии рождается новая наука, названная khemeia (Египетское искусство). Поэтому колыбелью химии принято считать Александрийскую библиотеку.
Философские начала познания бытия начинают акцентировать своё внимание на природе химических взаимодействий простых веществ и, впоследствии, их соединений. В результате объединения египетского ремесленного дела и греческой натурфилософии привели к объединению практических знаний о получениях и особенностях элементов с теоретической базой свойств с элементами стихий [4, 5].
Привязка чистых металлов к планетам и мистическому происхождению привело к возникновению ·алхимии, ·основной целью который было получение чистого золота по средствам трансмутации неблагородных металлов. Следует отметить, что возможность трансмутации обосновывалась алхимиками на основе теории четырёх элементов-стихий. Сами элементы, сочетанием которых образованы все вещества, способны к взаимопревращению. Поэтому переход одного металла, составленного из этих элементов, в другой, составленный из тех же элементов в другом сочетании, считалось одним из методов искусства, которое алхимики столетиями пытались достичь. Ввиду физических особенностей ртути (единственный жидкий металл, способный растворять в себе золото и медь, образуя амальгамы), она стала считаться особым «первичным металлом». Долгая работа ремесленников и античных философов с ртутью привела к развитию новой ветки медицины – изучению психиатрических расстройств, которые долгое время считали в Европе «божьей карой», за работой в области алхимии.
После уничтожения Александрийской библиотеки основной этап в развитии учений натурфилософии Аристотеля стало развиваться в арабских странах, откуда берёт свои начала алхимия. Однако для интерпретации опытных данных, касающихся свойств металлов, теория Аристотеля оказалась не слишком удобной, поскольку описывала, прежде всего, физические свойства вещества. Арабский алхимик Айюб ал Рухави (769-835) давал следующее весьма громкое объяснение свойств металлов, основанное на аристотелевом учении: «Золото содержит больше влажности, чем серебро, поэтому оно более ковко. Золото жёлтое, а серебро белое, т.к. первое содержит больше тепла, а второе – больше холода. Медь суше, чем серебро или золото, и её цвет более красен, т.к. она теплее. Олово более влажно, чем серебро или золото, так же обстоит дело и со свинцом. Это объясняет, почему они так легко плавятся на огне. Больше всего влажности в ртути, поэтому она, подобно воде, испаряется на огне. Что касается железа, то оно землистее и суше, чем все остальные, … и оно с трудом поддаётся действию огня и не плавится, подобно другим, если только плавящая сила не приведена в тесное соприкосновение с ним». Развитие алхимической практики потребовало создания новой теории, основанной на химических свойствах веществ [5].
Джабир ибн Хайан (VIII век) создал теорию, призванную более конкретно объяснять свойства металлов (в частности, такие, как блеск, ковкость, горючесть) и обосновывать возможность трансмутации. Следует особо отметить, что ртутно-серная теория представляла собой попытку теоретического обобщения опытных данных в достаточно частном вопросе, не претендуя на всеобщность объяснения. Это в корне отличает её от классических натурфилософских учений.
Ар-Рази предпринял также попытку объединить учение Аристотеля – главную теоретическую основу алхимии – с атомистической идеей. Четыре стихии Аристотеля, по мнению Ар-Рази, это четыре вида атомов, движущихся в пустоте и различающихся формой и размером. Среди многочисленных заслуг Ар-Рази следует также отметить предложенную им классификацию веществ на три царства – минеральные, растительные и животные [5-6].
В целом именно во время арабского этапа были созданы основные теории алхимии в изучении веществ, как теоретических, так и практических. Арабские алхимики добились несомненных практических успехов – ими выделены сурьма, мышьяк и фосфор, получены уксусная кислота и растворы сильных минеральных кислот. Арабская алхимия, в отличие от александрийской, была вполне рациональна; мистические элементы в ней представляли собой скорее дань традиции.
После XII века по ряду причин (как внутренних, так и внешних) арабская алхимия начала приходить в упадок и центр научной мысли переместился в Европу [5-6].
1.3. Европейская алхимия как тупиковый этап в сведении химических элементов воедино. Образование нового течения – иатрохимии.
Первым знаменитым европейским алхимиком стал Альберт Великий, чьи труды сыграли важную роль в значимости натурфилософии Аристотеля для европейских учёных позднего средневековья и начала Нового Времени. Так же он впервые описал свойства мышьяка, почему ему иногда приписывают открытие этого вещества.
По мистическим соображениям мышьяк и сурьму алхимики отказывались признавать самостоятельными элементам – металлам, ведь для них не хватало известных на тот момент планет. Мистическая связь алхимии и астрологии имела для алхимиков большее значение, чем факты. Мистицизм и закрытость европейской алхимии породили, естественно, значительное число мошенников от алхимии.
Кроме легендарного Василия Валентина, который подробно описал свойства простых веществ и их соединений (Zn, Bi, Sn, Pb, Co) в XV-XVII веках в Западной Европе широкой известностью пользовались многие алхимики, чьи идеи были чрезвычайно популярны в обществе. Однако к середине XVI века европейская алхимия стала подвергаться делению: на мистическую – пытаясь осуществить трансмутацию металлов; рациональную – основываясь на фактах. Наиболее значительными из рациональных течений явились иатрохимия и техническая химия [4, 6].
Алхимикам были присущи серьёзные отрицательные черты, которые и сделали алхимию средневековья тупиковой ветвью развития естествознания. Во-первых, это развитие науки только для цели трансмутации металлов. Во-вторых – мистицизм, в большей или меньшей степени присущий всем алхимикам. В-третьих, это учение Аристотеля, лежащее в основе идеи трансмутации, принимающееся за истину без доказательств. Скрытая форма учений и экспериментов оказалась существенным препятствием для развития в другие направления. Тем не менее нельзя сказать, что данный этап не смог благоприятно повлиять на дальнейшее развитие и становления химии, как науки. В целом алхимический период явился совершенно необходимым переходным этапом между натурфилософией и экспериментальным естествознанием.
Дальнейшее развитие привело возникновению нового течения – иатрохимии, основоположником которой был немецкий врач Филипп Ауреол Теофраст Бомбаст фон Гогенгейм, вошедший в историю под псевдонимом Парацельс. Хоть он и считал простые вещества элементами-стихиями, он негативно относился к трансмутации. Он утверждал: «Химия – один из столпов, на которые должна опираться врачебная наука. Задача химии вовсе не в том, чтобы делать золото и серебро, а в том, чтобы готовить лекарства». Благодаря несомненным успехам, достигнутым Парацельсом в медицине, его взгляды завоевали широкое признание [6].
Соглашаясь с Парацельсом, Андреас Либавий считал, что главная задача алхимии состоит в служении медицине. Он подвергал критике мистические элементы в учении Парацельса, но не отрицал возможность трансмутации.
Важную роль в развитии рациональной алхимии сыграл Ян Баптист ван Гельмонт, который был одним из первых учёных, поставивших вопрос об истинных простых составных частях сложных тел. Подвергая сомнению аристотелевские стихии и принципы алхимиков на том основании, что их присутствие невозможно обнаружить в составе большинства тел, он предлагал: «Простыми телами лишь те, которые могут быть выделены при разложении сложных тел» [5].
В целом Европейское течение алхимии оказалось тупиковым в контексте систематизации химических элементов за счёт постановке недостижимой цели – поиски «философского камня» – которая сильно ограничивала просто изучения химических свойств многих веществ. Также сильно повлияли исторические аспекты средневековья: подпольная работа и гонение разоблачённых алхимиков. Рациональное же течение в алхимии, иатрохимия, достигла большое количество внушительно значительных экспериментальных успехов и заложила основы для научной химии, становление которой начинается в середине XVII века.
Глава 2. Классификация химических элементов как проблема научной химии. Путь к систематизации.
2.1. Работы Роберта Бойля и путь к «химической революции». Период количественных законов.
Развитие философии и естествознания в эпоху Возрождения привело к глубокому кризису аристотелевской картины мира и поставило задачу выработки отражающей реальные свойства действительности физической концепции, а потребности технического прогресса привели к созданию основ научного эксперимента. Быстрому развитию в Европе новых философских систем способствовала также и Реформация, начавшаяся в XVI веке.
Сочетание различных факторов спровоцировало изменение в общественном сознании, усилило потребность в выработке новой философии, отрицавшей роль религиозных доктрин и античных учений, отдавая приоритет научному доказательству. В начале XVII века появились крупные философские произведения, оказавшие существенное влияние на развитие естествознания.
XVII век в философии ознаменовался также возрождением атомистических представлений. Рене Декарт утверждал, что все тела состоят из корпускул различной формы и размеров; форма корпускул связана со свойствами вещества. В то же время Декарт считал, что корпускулы делимы и состоят из единой материи. Декарт отрицал представления Демокрита о неделимых атомах, движущихся в пустоте, не решаясь допустить существование пустоты. Группы атомов, образующие соединения, Гассенди называл молекулами. Корпускулярные представления Гассенди завоевали довольно широкое признание среди естествоиспытателей.
Огромные успехи в XVII веке были достигнуты в области физики, механики, математики и астрономии. Основой естествознания становится принцип количественного анализа в практических испытаниях. Это послужило изобретению разнообразных измерительных приборов. Одним из следствий произошедшей во второй половине XVII века научной революции явилось создание новой – научной химии.
Английский учёный Роберт Бойль являлся одним из крупнейших химиков, физиков и философов своего времени. Главной его заслугой стала новая система химической философии. Книга была посвящена поискам ответа на вопрос, что именно следует считать элементами, исходя из современного уровня развития химии. Бойль писал: «Химики до сих пор руководствовались чересчур узкими принципами, не требовавшими особенно широкого умственного кругозора; они видели свою задачу в приготовлении лекарств, в получении и превращении металлов. Я смотрю на химию с совершенно иной точки зрения: не как врач, не как алхимик, а как должен смотреть на неё философ. Я начертал здесь план химической философии, который надеюсь выполнить и усовершенствовать своими опытами и наблюдениями». Бойль подчёркивал: «Нет никаких оснований присваивать данному телу название того или иного элемента только потому, что оно похоже на него одним каким-либо легко заметным свойством; ведь с тем же правом я мог бы отказать ему в этом названии, поскольку другие свойства являются разными». Исходя из экспериментальных данных, Роберт Бойль доказал о необходимости пересмотра понятий современной химии, полагаясь на эксперимент [4-6].
Элементы по Бойлю – практически неразложимые тела, состоящие из первоматерии корпускул, образуя все сложные тела, на которые те могут быть разделены. Корпускулы могут различаться формой, размером, массой. Также эти корпускулы остаются постоянными и не могут переходить в другие состояния.
Главной задачей химии по мнению Бойля состояла в изучении составных частей вещества и зависимость свойств вещества от его состава. При этом понятие состава Бойль считал возможным употреблять, когда из элементов, выделенных из данного сложного тела, можно обратно восстановить исходное тело. Бойль в своих трудах не назвал ни одного элемента в новом понимании этого понятия; не указал он и число элементов, отмечая лишь, что «не будет абсурдом, если предположить, что число это много больше трёх или четырёх».
Представления об элементах как о неразложимых веществах получили широкое признание. Но сложной задачей представляло создание новых теорий о составе тел, заменив учение Аристотеля и ртутно-серную теорию. Большим влиянием оказывали взгляды французского химика Николя Лемери, который говорил: «Химия есть искусство, учащее, как разделять различные вещества, содержащиеся в смешанных телах. Я понимаю под смешанными телами те, которые образуются в природе, а именно: минералы, растительные и животные тела» [6].
Во второй половине XVIII века новая теория о горючести тел – теория флогистона – завоевала среди химиков всеобщее признание. Основная идея состояла в том, что при горении вещество испускает некую материю, которая имеет отрицательную массу. На основе этих представлений сформировалась номенклатура веществ; предпринимались попытки связи химических веществ между собой на основании их физических свойств.
Практически параллельно с развитием флогистонской теории горения тел развивалась противоположная теория – кислородного горения и дыхания. Нефлогистонные представления о горении и дыхании зародились даже несколько ранее флогистонной теории. Большое значение для создания кислородной теории горения имели открытия кислорода Карлом Шееле и Джозефом Пристли, водорода Кавендишем и азота Резерфордом. Кислородная теория оказала значимое влияние на развитие химии и пересмотра основных концепций и понятий химии, изменения терминологии и номенклатуры веществ. Поэтому с создания кислородной теории начался переломный этап в развитии химии, названный "химической революцией".
В 1789 г. Антуан Лоран Лавуазье, работая над новой системой номенклатуры химических соединений предпринял первые попытки систематизации химических элементов, таблицу простых тел, разделённых на несколько типов: на простые вещества, которые можно рассматривать как элементы, простые неметаллические вещества, простые металлические вещества и простые солеобразующие землистые вещества.
Касательно «земель» Лавуазье, основываясь их инертностью по отношению к кислороду, выдвигает предположение, что это оксиды неизвестных элементов, что в последствии подтвердилось. на основании их абсолютной инертности к кислороду высказывал предположение о том, что земли представляют собой оксиды неизвестных элементов, впоследствии полностью подтвердившееся.
Химическая революция завершила период становления химии; она ознаменовала собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от устаревших натурфилософских и алхимических представлений о природе вещества и его свойств. После химической революции химия вступила в период количественных законов, в котором была создана и развита новая концепция химического элемента – атомно-теоретическая.
Исследования веществ количественными методами в начале XIX века приводят к новым фундаментальным изменениям в естествознании и химии. За открытием Лавуазье закона сохранения масс последовали открытия новых количественных закономерностей – стехиометрических законов [7].
Практическое обоснование атомной теории состава вещества нашёл английский химик Джон Дальтон. В начале XIX века Дальтон открыл несколько новых эмпирических закономерностей: закон парциальных давлений (закон Дальтона), закон растворимости газов в жидкостях (закон Генри-Дальтона) и, наконец, закон кратных отношений.
Объяснить эти закономерности (прежде всего закон кратных отношений), не прибегая к предположению о дискретности материи, невозможно. Основываясь на законе кратных отношений, открытом в 1803 г., и законе постоянства состава, Дальтон разработал свою атомно-молекулярную теорию. Главные затруднения при определении атомной массы вещества состоят в необходимости установления точного числа атомов каждого элемента, входящего в состав соединения.
