История химии

1871 периодическая таблица построен Дмитрий Менделеев . Периодическая таблица Менделеева - один из самых мощных символов в науке, лежащий в основе химии и воплощающий самые фундаментальные принципы этой области.

История химии представляет собой промежуток времени от древней истории до настоящего времени . К 1000 году до нашей эры цивилизации использовали технологии, которые в конечном итоге легли в основу различных отраслей химии. Примеры включают открытие огня, извлечение металлов из руд , изготовление глиняной посуды и глазури, ферментацию пива и вина , извлечение химикатов из растений для медицины и парфюмерии , превращение жира в мыло , изготовление стекла и изготовление сплавов, таких как бронза .

Протонаука химии, алхимия , не смогла объяснить природу материи и ее превращения. Однако, проводя эксперименты и записывая результаты, алхимики заложили основу современной химии. Это различие стало проявляться, когда Роберт Бойль в своей работе «Скептический химик» (1661) провел четкое различие между химией и алхимией . В то время как и алхимия, и химия связаны с материей и ее преобразованиями, считается , что химики применяют научные методы в своей работе.

История химии переплетается с историей термодинамики , особенно благодаря работам Уилларда Гиббса . ^[1]

Древняя история [ править ]

Ранние люди [ править ]

В пещере Бломбос в Южной Африке была обнаружена мастерская по обработке охры, которой 100000 лет . Это указывает на то, что у древних людей были элементарные познания в химии. Картины, нарисованные первыми людьми, на которых изображены люди, смешивающие кровь животных с другими жидкостями, найденными на стенах пещер, также указывают на небольшое знание химии. ^{[2] [3]}

Ранняя металлургия [ править ]

Самым ранним зарегистрированным металлом, используемым людьми, является золото , которое можно найти в свободном или «местном» виде. Небольшое количество природного золота было найдено в испанских пещерах, использовавшихся в период позднего палеолита , около 40 000 лет до нашей эры. ^[4]

Серебро , медь , олово и метеоритное железо также могут быть найдены как самородные, что позволяет обрабатывать металл в ограниченном количестве в древних культурах. ^[5] Египетское оружие, сделанное из метеоритного железа примерно в 3000 г. до н.э., высоко ценилось как «кинжалы с небес». ^[6]

Возможно, первой управляемой химической реакцией был огонь . Однако на протяжении тысячелетий огонь рассматривался просто как мистическая сила, которая могла преобразовывать одно вещество в другое (горящее дерево или кипящую воду), производя тепло и свет. Огонь затронул многие аспекты ранних обществ. Они варьировались от самых простых аспектов повседневной жизни, таких как приготовление пищи, обогрев и освещение среды обитания, до более сложных применений, таких как изготовление керамики и кирпичей и плавление металлов для изготовления инструментов.

Именно огонь привел к открытию стекла и очистке металлов; за этим последовал подъем металлургии . ^[7] На ранних стадиях металлургии искали методы очистки металлов, и золото, известное в Древнем Египте еще в 2900 году до нашей эры, стало драгоценным металлом.

Бронзовый век [ править ]

Некоторые металлы могут быть извлечены из руд, просто нагревая камни в огне: особенно олово , свинец и (при более высокой температуре) медь. Этот процесс известен как плавка . Первые свидетельства этой добывающей металлургии датируются 6-5 тысячелетиями до нашей эры и были найдены в археологических памятниках Майданпек , Ярмовац и Плоцник , все три в Сербии . На сегодняшний день самая ранняя медная плавка находится на Беловодском городище; ^[8] эти примеры включают медный топор 5500 г. до н.э., принадлежащий культуре Винча . ^[9]Другие признаки ранних металлов обнаружены в третьем тысячелетии до нашей эры в таких местах, как Палмела (Португалия), Лос-Мильярес (Испания) и Стоунхендж (Великобритания). Однако, как это часто бывает при изучении доисторических времен, окончательное начало не может быть четко определено, и новые открытия продолжаются.

Эти первые металлы были отдельными элементами или комбинациями, как это происходило естественным образом. Объединив медь и олово, можно было получить превосходный металл - сплав, называемый бронзой . Это был крупный технологический сдвиг, который положил начало бронзовому веку около 3500 г. до н.э. Бронзовый век был периодом культурного развития человечества, когда наиболее передовая обработка металлов (по крайней мере, в систематическом и широкомасштабном использовании) включала в себя методы плавки меди и олова из естественных обнажений медных руд, а затем плавку этих руд для литья бронзы. Эти природные руды обычно включали мышьяк в качестве общей примеси. Медно-оловянные руды встречаются редко, что отражается в отсутствии оловянных бронз в Западной Азии. до 3000 г. до н.э.

После бронзового века история металлургии была отмечена армиями, ищущими лучшее вооружение. Государства в Евразии процветали, когда они производили лучшие сплавы, которые, в свою очередь, делали лучшую броню и лучшее оружие. ^{[ необходима цитата ]} Значительный прогресс в металлургии и алхимии был достигнут в древней Индии . ^[10]

Железный век [ править ]

Извлечь железо из руды в обрабатываемый металл намного сложнее, чем медь или олово. В то время как железо не лучше подходит для изготовления инструментов, чем бронза (до открытия стали ), железная руда гораздо более распространена и распространена, чем медь или олово, и поэтому чаще доступна на местном уровне, без необходимости торговать ею.

Обработка железа была изобретена хеттами примерно в 1200 г. до н.э., в начале железного века . Секрет добычи и обработки железа был ключевым фактором успеха филистимлян . ^{[6] [11]}

Железный век относится к появлению обработки чугуна ( черной металлургии ). Исторические достижения в черной металлургии можно найти в самых разных культурах и цивилизациях прошлого. К ним относятся древние и средневековые царства и империи Ближнего и Среднего Востока, древний Иран , древний Египет , древняя Нубия и Анатолия (Турция), Древний Нок , Карфаген , греки и римляне.древней Европы, средневековой Европы, древнего и средневекового Китая, древней и средневековой Индии, древней и средневековой Японии и других. Многие приложения, методы и устройства , связанные с или участвующие в металлургии были созданы в древнем Китае, например, инновации в доменной печи , чугуна , гидравлических Приведено молотков командировочных и двойного действия поршневых мехов . ^{[12] [13]}

Классическая древность и атомизм [ править ]

Философские попытки объяснить, почему разные вещества имеют разные свойства (цвет, плотность, запах), существуют в разных состояниях (газообразном, жидком и твердом) и по-разному реагируют при воздействии окружающей среды, например, воды, огня или температуры. изменения, привели древних философов к постулированию первых теорий о природе и химии. История таких философских теорий, относящихся к химии, вероятно, восходит к каждой древней цивилизации. Общим аспектом всех этих теорий была попытка идентифицировать небольшое количество первичных классических элементов, которые составляют все различные вещества в природе. Такие вещества, как воздух, вода и почва / земля, формы энергии, такие как огонь и свет, и более абстрактные понятия, такие как мысли, эфир., и небо, были обычным явлением в древних цивилизациях даже при отсутствии какого-либо перекрестного оплодотворения: например, древнегреческая, индийская, майянская и китайская философии считали воздух , воду , землю и огонь первичными элементами. ^{[ необходима цитата ]}

Древний мир [ править ]

Около 420 г. до н.э. Эмпедокл заявил, что вся материя состоит из четырех элементарных субстанций : земли, огня, воздуха и воды. Ранняя теория атомизма восходит к Древней Греции и Древней Индии . ^[14] Греческий атомизм восходит к греческому философу Демокриту , который заявил, что материя состоит из неделимых и неразрушимых частиц, называемых «атомос», около 380 г. до н.э. Левкипп также заявил, что атомы являются самой неделимой частью материи. Это совпало с аналогичным заявлением индийского философа Канады в его сутрах Вайшешика. примерно в тот же период времени. ^[14] Во многом таким же образом он обсуждал существование газов . То, что Канада провозгласил сутрой, Демокрит провозгласил философскими размышлениями. Оба страдали от недостатка эмпирических данных. Без научных доказательств существование атомов было легко отрицать. Аристотель выступил против существования атомов в 330 г. до н.э. Ранее, в 380 г. до н.э., греческий текст приписывается Полиба утверждал , что человеческое тело состоит из четырех соков . Около 300 г. до н.э. Эпикур постулировал вселенную неразрушимых атомов, в которой сам человек несет ответственность за достижение сбалансированной жизни.

С целью объяснения эпикурейской философии римской аудитории римский поэт и философ Лукреций ^[15] написал De rerum natura (Природа вещей) ^[16] в 50 г. до н.э. В своей работе Лукреций представляет принципы атомизма ; природа разума и души ; объяснения ощущений и мыслей; развитие мира и его явлений; и объясняет множество небесных и земных явлений.

Многие ранние разработки методов очистки описаны Плинием Старшим в его « Naturalis Historia» . Он пытался объяснить эти методы, а также внимательно наблюдал за состоянием многих минералов.

Средневековая алхимия [ править ]

Элементарная система , используемая в средневековой алхимии была разработана главным образом персидском - араб алхимика Джабир ибн Hayyan и коренится в классических элементах греческой традиции. ^[17] Его система состояла из четырех аристотелевских элементов воздуха, земли, огня и воды в дополнение к двум философским элементам: сера , характеризующая принцип горючести, «камень, который горит»; и ртуть , характеризующая принцип металлических свойств. Ранние алхимики рассматривали их как идеализированные выражения несводимых компонентов Вселенной ^[18] и заслуживают большего внимания ^{[требуется уточнение ] в}рамках философской алхимии.

Три металлических принципа (сера - воспламеняемость или горение, ртуть - летучесть и стабильность и соль - твердость) стали tria prima швейцарского алхимика Парацельса . Он рассуждал, что теория четырех элементов Аристотеля проявляется в телах как три принципа. Парацельс считал эти принципы фундаментальными и оправдывал их, ссылаясь на описание того, как дерево горит в огне. Меркурий включал в себя принцип связности, так что, когда он покидал древесину (в дыму), древесина разваливалась. Дым характеризовал летучесть (ртутный принцип), выделяющее тепло пламя характеризовало воспламеняемость (сера), а остатки золы характеризовали твердость (соль). ^[19]

Философский камень [ править ]

Алхимия определяется герметическим поиском философского камня , изучение которого пропитано символическим мистицизмом и сильно отличается от современной науки. Алхимики трудились над преобразованиями на эзотерическом (духовном) и / или экзотерическом (практическом) уровне. ^[20] Это был protoscientific , экзотерические аспекты алхимии , что внесло большой вклад в развитие химии в греко-римский Египет , в исламском Золотом веке , а затем в Европе. Алхимия и химия разделяют интерес к составу и свойствам материи, и до 18 века они не были отдельными дисциплинами. Термин химиябыл использован для описания смеси алхимии и химии, существовавшей до того времени. ^[21]

Первые западные алхимики, жившие в первые века нашей эры, изобрели химический аппарат. Пароварка , или водяная баня, названа в честь Марии еврейки . Ее работа также дает первые описания трибикос и керотаки . ^[22] Алхимик Клеопатра описал печи и приписывают изобретение перегонного куба . ^[23] Позже экспериментальная структура, установленная Джабиром ибн Хайяном, повлияла на алхимиков по мере того, как дисциплина мигрировала через исламский мир , а затем в Европу в 12 веке нашей эры.

В эпоху Возрождения экзотерическая алхимия оставалась популярной в форме парацельсианской ятрохимии , в то время как духовная алхимия процветала, вернувшись к своим платоническим , герметическим и гностическим корням. Следовательно, символический поиск философского камня не был заменен научными достижениями и до начала 18 века оставался прерогативой уважаемых ученых и врачей. Ранние современные алхимики, известные своим научным вкладом, включают Ян Баптист ван Гельмонт , Роберт Бойль и Исаак Ньютон .

Алхимия в исламском мире [ править ]

В исламском мире , то мусульмане переводили труды древних греческих и эллинистических философов на арабский язык и экспериментировали с научными идеями. ^[24] Развитие современного научного метода было медленным и трудным, но ранний научный метод химии начал появляться среди ранних мусульманских химиков, начиная с персо-арабского химика 9 века Джабира ибн Хайяна , широко известного как «отец химии». ". В арабских трудах, приписываемых ему, вводилась систематическая классификация химических веществ и приводились инструкции по получению неорганического соединения ( аммиак или аммиак).хлорид аммония ) из органических веществ (например, растений, крови и волос) химическим путем. ^[25] Некоторые арабские произведения Джабири (например, «Книга милосердия» и «Книга семидесяти») были позже переведены на латынь под латинизированным именем «Гебер» ^[26], а в Европе 13-го века анонимный писатель , обычно называемый псевдогебером , начал выпускать алхимические и металлургические сочинения под этим именем. ^[27] Позже влиятельные мусульманские философы, такие как Абу аль-Райхан аль-Бируни ^[28] и Авиценна ^[29], оспаривали теории алхимии, в частности теориютрансмутация металлов .

Насир ад-Дин Туси описал вариант сохранения массы , отметив , что тело материи в состоянии изменения , но не может исчезнуть. ^[30] Разес впервые опроверг теорию Аристотеля о четырех классических элементах и заложил прочные основы современной химии, используя лабораторию в современном понимании, разработав и описав более двадцати инструментов, многие части которых все еще находятся в используются сегодня, такие как тигель , тыква или реторта для перегонки, а также головка перегонного куба с подающей трубкой (ambiq, латинское alembic), а также различные типы печей или печей. ^{[ необходима цитата]}

Проблемы с алхимией [ править ]

С сегодняшней точки зрения было несколько проблем с алхимией. Не существовало систематической схемы именования новых соединений, а язык был эзотерическим и расплывчатым до такой степени, что терминология означала разные вещи для разных людей. Фактически, согласно The Fontana History of Chemistry (Brock, 1992):

Вскоре язык алхимии разработал загадочный и секретный технический словарь, предназначенный для сокрытия информации от непосвященных. В значительной степени этот язык непонятен для нас сегодня, хотя очевидно , что читатели Джоффри Чосер «s Tale компании Canon YEOMAN в или аудитории Бен Jonson » s Алхимика были в состоянии истолковать его достаточно , чтобы посмеяться над ним. ^[31]

Рассказ Чосера раскрыл более мошенническую сторону алхимии, особенно производство поддельного золота из дешевых веществ. Менее чем за столетие до этого Данте Алигьери также продемонстрировал осведомленность об этой подделке, в результате чего он отправил всех алхимиков в Ад в своих трудах. Вскоре после этого, в 1317 году, папа в Авиньоне Иоанн XXII приказал всем алхимикам покинуть Францию ​​за изготовление фальшивых денег. В 1403 году в Англии был принят закон, по которому «умножение металлов» каралось смертью. Несмотря на эти и другие явно крайние меры, алхимия не умерла. Королевские власти и привилегированные классы по-прежнему стремились открыть для себя философский камень и эликсир жизни. ^[32]

Также не существовало согласованного научного метода воспроизводимости экспериментов. Действительно, многие алхимики включали в свои методы не относящуюся к делу информацию, такую ​​как время приливов или фаз Луны. Эзотерическая природа и систематизированная лексика алхимии оказались более полезными для сокрытия того факта, в котором они вообще не могли быть уверены во многом. Уже в 14 веке на фасаде алхимии, казалось, росли трещины; и люди стали скептически настроены. ^{[ необходима цитата ]} Ясно, что должен быть научный метод, в котором эксперименты могли бы повторяться другими людьми, а результаты нужно было сообщать ясным языком, излагающим как то, что известно, так и то, что неизвестно.

17 и 18 века: ранняя химия [ править ]

Практические попытки улучшить очистку руд и их извлечение для плавки металлов были важным источником информации для первых химиков 16 века, в том числе Георга Агриколы (1494–1555), опубликовавшего свою великую работу De re Metallica в 1556 году. Работа описывает высокоразвитые и сложные процессы добычи металлических руд, добычи металлов и металлургии того времени. Его подход устранил мистицизм, связанный с этим предметом, создав практическую основу, на которой могли строить другие. Работа описывает многие виды печей, используемых для плавки руды, и пробуждает интерес к минералам и их составу. Неслучайно он дает многочисленные ссылки на более раннего автора, Плиния Старшего и его Naturalis Historia.. Агриколу называют «отцом металлургии». ^[33]

В 1605 году сэр Фрэнсис Бэкон опубликовал книгу «Мастерство и развитие обучения» , в которой содержится описание того, что позже будет известно как научный метод . ^[34] В 1605 году Михал Седзивой публикует алхимический трактат «Новый свет алхимии», в котором предлагалось существование «пищи жизни» в воздухе, которая позже была признана кислородом. В 1615 году Жан Беген опубликовал Tyrocinium Chymicum , ранний учебник химии, и в нем нарисовал первое в истории химическое уравнение . ^[35] В 1637 году Рене Декарт публикует Discours de la méthode., который содержит описание научного метода.

Голландская химика Гельмонт работа «S Ortus Medicinae была опубликована посмертно в 1648 году; Некоторые цитируют эту книгу как важный переходный труд между алхимией и химией, оказавший большое влияние на Роберта Бойля . Книга содержит результаты многочисленных экспериментов и устанавливает раннюю версию закона сохранения массы . Работая сразу после Парацельса и ятрохимии , Ян Баптист ван Гельмонт предположил, что существуют невещественные вещества, кроме воздуха, и придумал для них название - « газ » от греческого слова « хаос».. В дополнение к введению слова «газ» в словарь ученых ван Гельмонт провел несколько экспериментов с газами. Яна Баптиста ван Гельмонта сегодня также помнят в основном за его идеи о спонтанном зарождении и его пятилетний эксперимент с деревом , а также за то, что он считается основателем пневматической химии .

Роберт Бойл [ править ]

Считается, что англо-ирландский химик Роберт Бойль (1627–1691) усовершенствовал современный научный метод алхимии и отделил химию от алхимии. ^[36] Хотя его исследования явно уходят корнями в алхимическую традицию, Бойль сегодня в значительной степени считается первым современным химиком и, следовательно, одним из основателей современной химии и одним из пионеров современного экспериментального научного метода . Хотя Бойль не был первым открывателем, он наиболее известен законом Бойля , который он представил в 1662 году: ^[37] закон описывает обратно пропорциональную зависимость между абсолютным давлением иобъем газа, если температура поддерживается постоянной в замкнутой системе . ^{[38] [39]}

Бойлю также приписывают его знаменательную публикацию «Скептический химик» в 1661 году, которая считается краеугольным камнем в области химии. В работе Бойль представляет свою гипотезу о том, что каждое явление было результатом столкновения движущихся частиц. Бойль призвал химиков поэкспериментировать и утверждал, что эксперименты отрицали ограничение химических элементов только классическими четырьмя: землей, огнем, воздухом и водой. Он также призывал к тому, чтобы химия перестала подчиняться медицине или алхимии и поднялась до статуса науки. Важно отметить, что он выступал за строгий подход к научному эксперименту: он считал, что все теории должны быть экспериментально подтверждены, прежде чем они будут признаны истинными. Работа содержит некоторые из самых ранних современных представлений об атомах., молекулы и химическая реакция , и знаменует начало истории современной химии.

Бойль также пытался очищать химические вещества, чтобы получить воспроизводимые реакции. Он был активным сторонником механической философии, предложенной Рене Декартом для объяснения и количественной оценки физических свойств и взаимодействий материальных субстанций. Бойл был атомщик, но выступает слово тельце над атомами . Он заметил, что тончайшее деление материи, в котором сохраняются свойства, находится на уровне корпускул. Он также провел многочисленные исследования с помощью воздушного насоса и отметил, что ртуть выпала при откачке воздуха. Он также заметил, что откачка воздуха из контейнера погасит пламя и убьет мелких животных, помещенных внутри. Бойль помог заложить основыХимическая революция с его механической корпускулярной философией. ^[40] Бойль повторил эксперимент ван Гельмонта с деревом и первым применил индикаторы, изменяющие цвет в зависимости от кислотности.

Разработка и демонтаж флогистона [ править ]

В 1702 году немецкий химик Георг Шталь придумал название « флогистон » для вещества, которое, как считается, выделяется в процессе горения. Около 1735 года шведский химик Георг Брандт проанализировал темно-синий пигмент, обнаруженный в медной руде. Брандт продемонстрировал, что пигмент содержит новый элемент, позже названный кобальтом . В 1751 году шведский химик и ученик Шталя по имени Аксель Фредрик Кронштедт идентифицировал примесь в медной руде как отдельный металлический элемент, который он назвал никелем . Кронштедт - один из основоположников современной минералогии . ^[41] Кронштедт также обнаружил минерал шеелит.в 1751 году, который он назвал вольфрамом, что в переводе с шведского означает «тяжелый камень».

В 1754 году шотландский химик Джозеф Блэк выделил двуокись углерода , которую назвал «неподвижным воздухом». ^[42] В 1757 году Луи Клод Кадет де Гассикур , исследуя соединения мышьяка, создал дымящуюся жидкость Кадета , которая позже была обнаружена как оксид какодила , который считается первым синтетическим металлоорганическим соединением. ^[43] В 1758 году Джозеф Блэк сформулировал понятие скрытой теплоты , чтобы объяснить термохимии о фазовых превращениях . ^[44] В 1766 году английский химик Генри Кавендиш выделил водород., который он назвал «легковоспламеняющимся воздухом». Кавендиш открыл водород как бесцветный газ без запаха, который горит и может образовывать взрывоопасную смесь с воздухом, и опубликовал статью о производстве воды путем сжигания легковоспламеняющегося воздуха (то есть водорода) в дефлогистированном воздухе (ныне известный как кислород). последний входит в состав атмосферного воздуха ( теория флогистона ).

В 1773 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле открыл кислород , который назвал «огненным воздухом», но не сразу опубликовал свое достижение. ^[45] В 1774 году английский химик Джозеф Пристли независимо выделил кислород в газообразном состоянии, назвав его «дефлогистированным воздухом», и опубликовал свою работу раньше, чем Шееле. ^{[46] [47]} В течение его жизни значительная научная репутация Пристли основывалась на его изобретении газированной воды , его трудах по электричеству., и его открытие нескольких «газов», самый известный из которых Пристли назвал «дефлогистированным воздухом» (кислородом). Однако решимость Пристли защищать теорию флогистона и отвергать то, что впоследствии превратилось в химическую революцию, в конечном итоге оставило его изолированным в научном сообществе.

В 1781 году Карл Вильгельм Шееле обнаружил, что новая кислота , вольфрамовая кислота , может быть получена из шеелита Кронштедта (в то время называемого вольфрамом). Шееле и Торберн Бергман предположили, что можно получить новый металл, восстановив эту кислоту. ^[48] В 1783 году Хосе и Фаусто Эльхуяр обнаружили кислоту, сделанную из вольфрамита, которая была идентична вольфрамовой кислоте. Позже в том же году в Испании братьям удалось выделить металл, ныне известный как вольфрам , восстановив эту кислоту древесным углем , и им приписывают открытие этого элемента. ^{[49] [50]}

Вольта и Вольтова груда [ править ]

Итальянский физик Алессандро Вольта сконструировал устройство для накопления большого заряда посредством серии индукций и заземлений. Он исследовал открытие Луиджи Гальвани « животное электричество » 1780-х годов и обнаружил, что электрический ток генерируется при контакте разнородных металлов, и что лягушачья лапа действует только как детектор. Вольта продемонстрировал в 1794 году, что когда два металла и пропитанная рассолом ткань или картон объединяются в цепь, они производят электрический ток.

В 1800 году Вольта сложил несколько пар чередующихся медных (или серебряных ) и цинковых дисков ( электродов ), разделенных тканью или картоном, пропитанным рассолом ( электролитом ), чтобы увеличить проводимость электролита. ^[51] Когда верхний и нижний контакты были соединены проводом, электрический ток протекал через эту гальваническую батарею и соединительный провод. Таким образом, Вольте приписывают создание первой электрической батареи, производящей электричество .

Таким образом, Вольта считается основоположником дисциплины электрохимии . ^[52] Гальванический элемент (или вольтова клетка) представляет собой гальванический элемент , производные электрическая энергия от спонтанного окислительно - восстановительной реакции , имеющее места в клетке. Обычно он состоит из двух разных металлов, соединенных солевым мостиком , или отдельных полуячейек, разделенных пористой мембраной.

Антуан-Лоран де Лавуазье [ править ]

Антуан-Лоран де Лавуазье с помощью тщательных измерений продемонстрировал, что превращение воды в землю невозможно, но что осадок, наблюдаемый в кипящей воде, исходит из контейнера. Он сжег фосфор и серу на воздухе и доказал, что продукты весили больше, чем исходные образцы, а полученная масса терялась из воздуха. Таким образом, в 1789 году он установил Закон сохранения массы , который также называют «законом Лавуазье». ^[53]

Повторяя эксперименты Пристли, он продемонстрировал, что воздух состоит из двух частей, одна из которых соединяется с металлами, образуя кальки . В « Considérations Générales sur la Nature des Acides» (1778) он продемонстрировал, что «воздух», ответственный за горение, также является источником кислотности. В следующем году он назвал эту порцию кислородом (по-гречески «кислотообразующий»), а другую - азотом (по-гречески «без жизни»). Из-за его более тщательной характеристики его как элемента, Лавуазье, таким образом, претендует на открытие кислорода наряду с Пристли и Шееле. Он также обнаружил, что обнаруженный Кавендишем «легковоспламеняющийся воздух», который он назвал водородом,(По-гречески «образующий воду») - в сочетании с кислородом, чтобы произвести росу, как сообщил Пристли, которая оказалась водой. В « Reflexions sur le Phlogistique» (1783) Лавуазье показал несостоятельность теории горения флогистона . Михаил Ломоносов самостоятельно установил традицию химии в России в 18 веке; он также отверг теорию флогистона и предвосхитил кинетическую теорию газов . Ломоносов рассматривал тепло как форму движения и высказал идею сохранения материи.

Лавуазье работал с Клодом Луи Бертолле и другими, чтобы разработать систему химической номенклатуры , которая служит основой современной системы именования химических соединений. В своих « Методах химической номенклатуры» (1787 г.) Лавуазье изобрел систему наименования и классификации, которая широко используется сегодня, включая такие названия, как серная кислота , сульфаты и сульфиты . В 1785 году Бертолле первым ввел использование газообразного хлора в качестве коммерческого отбеливателя. В том же году он впервые определил элементный состав газообразного аммиака . Бертолле впервые произвел современную отбеливающую жидкость в 1789 году, пропустив газообразный хлор через растворкарбонат натрия - получился слабый раствор гипохлорита натрия . Другой сильный окислитель хлора и отбеливатель, который он исследовал и первым произвел, хлорат калия (KClO ₃ ), известен как соль Бертолле. Бертолле также известен своим научным вкладом в теорию химического равновесия через механизм обратимых реакций .

« Traité Élémentaire de Chimie» Лавуазье («Элементарный трактат химии», 1789 г.) был первым современным учебником по химии, который представил единый взгляд на новые теории химии, содержал четкое изложение Закона сохранения массы и отрицал существование флогистона. Кроме того, он содержал список элементов или веществ, которые нельзя было разбить дальше, в том числе кислород, азот , водород, фосфор , ртуть , цинк и серу . В его список, однако, также входили легкие и калорийные., которые он считал материальными субстанциями. В своей работе Лавуазье подчеркнул наблюдательную основу своей химии, заявив: «Я попытался ... прийти к истине, связав факты; максимально подавить использование рассуждений, которые часто являются ненадежным инструментом, вводящим в заблуждение. нам, чтобы как можно точнее следовать за факелом наблюдения и эксперимента ". Тем не менее он считал, что реальное существование атомов невозможно с философской точки зрения. Лавуазье продемонстрировал, что организмы разбирают и восстанавливают атмосферный воздух так же, как горящее тело.

Вместе с Пьером-Симоном Лапласом Лавуазье использовал калориметр для оценки тепла, выделяемого на единицу производимого углекислого газа. Они обнаружили такое же соотношение для пламени и животных, что указывает на то, что животные производят энергию с помощью горения. Лавуазье верил в теорию радикалов , которая гласила, что радикалы, которые действуют как единая группа в химической реакции, будут соединяться с кислородом в реакциях. Он считал, что все кислоты содержат кислород. Он также обнаружил, что алмаз - это кристаллическая форма углерода.

Хотя многие партнеры Лавуазье оказали влияние на развитие химии как научной дисциплины, его жена Мари-Анн Лавуазье, возможно, была самой влиятельной из них. После их свадьбы мадам Лавуазье начала изучать химию, английский язык и рисование, чтобы помочь своему мужу в его работе, либо переводя документы на английский язык, который Лавуазье не знал, либо ведя записи и рисуя различные аппараты, которые Лавуазье использовал в своих лабораториях. ^[54]Благодаря ее способности читать и переводить статьи из Британии для своего мужа, Лавуазье имела доступ к знаниям о многих химических достижениях, происходящих за пределами его лаборатории. Кроме того, мадам. Лавуазье вела записи о работе мужа и следила за тем, чтобы его работы были опубликованы. Первый признак истинного потенциала Мари-Анны как химика в лаборатории Лавуазье появился, когда она переводила книгу ученого Ричарда Кирвана . При переводе она наткнулась и исправила несколько ошибок. Когда она представила свой перевод вместе со своими заметками Лавуазье, ее вклад привел к опровержению Лавуазье теории флогистона.

Лавуазье внес большой фундаментальный вклад в науку о химии. После его работы химия приобрела строгий количественный характер, что позволило делать надежные прогнозы. Произведенная им революция в химии была результатом сознательных усилий поместить все эксперименты в рамки единой теории. Он установил последовательное использование химического баланса, использовал кислород, чтобы опровергнуть теорию флогистона, и разработал новую систему химической номенклатуры. Дальнейшие потенциальные пожертвования были прерваны, когда Лавуазье был обезглавлен во время Французской революции .

19 век [ править ]

В 1802 году французско-американский химик и промышленник Элеутер Ирене дю Пон , изучавший производство пороха и взрывчатых веществ при Антуане Лавуазье, основал в Делавэре производителя пороха, известную как EI du Pont de Nemours and Company . Французская революция заставила его семью переехать в Соединенные Штаты , где дю Пон начал пороховой завод на реке Брендивайн в штате Делавэр. Желая сделать порошок как можно лучше, Дюпон внимательно следил за качеством используемых материалов. В течение 32 лет дю Пон был президентом компании EI du Pont de Nemours and Company, которая в конечном итоге превратилась в одну из крупнейших и наиболее успешных компаний Америки.

На протяжении 19 века химия делилась между теми, кто следовал атомной теории Джона Дальтона, и теми, кто этого не делал, такими как Вильгельм Оствальд и Эрнст Мах . ^[55] Хотя такие сторонники атомной теории, как Амедео Авогадро и Людвиг Больцманн, добились больших успехов в объяснении поведения газов , этот спор не был окончательно разрешен до тех пор, пока Жан Перрен не начал экспериментальное исследование атомного объяснения Эйнштейном броуновского движения в атмосфере. первое десятилетие 20 века. ^[55]

Задолго до того, как спор был урегулирован, многие уже применили концепцию атомизма к химии. Ярким примером является ионная теория Сванте Аррениуса, которая предвосхитила идеи об атомной субструктуре, которые не получили полного развития до 20-го века. Майкл Фарадей был еще одним ранним исследователем, основным вкладом которого в химию была электрохимия , в которой (среди прочего) было показано, что определенное количество электричества во время электролиза или электроосаждения металлов связано с определенными количествами химических элементов и фиксированными количествами химических элементов. элементы, следовательно, друг с другом в определенных соотношениях. ^{[ необходима цитата ]} Эти открытия, как и результаты исследования соотношений Дальтона, были первыми ключами к разгадке атомной природы материи.

Джон Далтон [ править ]

В 1803 году английский метеоролог и химик Джон Далтон предложил закон Далтона , который описывает соотношение между компонентами смеси газов и относительное давление, каждое из которых влияет на давление всей смеси. ^[56] Эта концепция, открытая в 1801 году, также известна как закон парциальных давлений Дальтона.

Дальтон также предложил современную атомную теорию в 1803 году, в которой говорилось, что вся материя состоит из небольших неделимых частиц, называемых атомами, атомы данного элемента обладают уникальными характеристиками и весом и существуют три типа атомов: простые (элементы), составные (простые молекулы). ), так и сложные (сложные молекулы). В 1808 году Дальтон впервые опубликовал « Новую систему химической философии» (1808-1827), в которой он изложил первое современное научное описание теории атома. Эта работа идентифицировала химические элементы как особый тип атома, тем самым отвергая теорию химического сродства Ньютона .

Вместо этого Дальтон вывел пропорции элементов в соединениях, взяв отношения масс реагентов, установив атомный вес водорода равным единице. Вслед за Иеремиасом Бенджамином Рихтером (известным тем, что ввел термин стехиометрия ), он предположил, что химические элементы объединяются в интегральных соотношениях. Это известно как закон множественных пропорций или закон Дальтона, и Дальтон включил четкое описание закона в свою новую систему химической философии . Закон кратных пропорций - один из основных законов стехиометрии, используемых для создания атомной теории. Несмотря на важность работы как первого взгляда на атомы как на физически реальные объекты и введение системы химических символов,Новая система химической философии посвятила теории калорий почти столько же места, сколько и атомизму.

Французский химик Джозеф Пруст предложил закон определенных пропорций , в котором говорится , что элементы всегда сочетают в небольших, целых соотношениях чисел с образованием соединений, на основе нескольких экспериментов , проведенных между 1797 и 1804 г. ^[57] Наряду с законом кратных отношений, закон о определенные пропорции составляют основу стехиометрии. Закон определенных пропорций и постоянного состава не доказывает, что атомы существуют, но их трудно объяснить, не предполагая, что химические соединения образуются, когда атомы соединяются в постоянных пропорциях.

Йенс Якоб Берцелиус [ править ]

Шведский химик и ученик Далтона Йенс Якоб Берцелиус приступил к систематической программе, чтобы попытаться проводить точные и точные количественные измерения и гарантировать чистоту химикатов. Наряду с Лавуазье, Бойлем и Далтоном Берцелиус известен как отец современной химии. В 1828 году он составил таблицу относительных атомных весов, в которой кислород использовался в качестве стандарта, с его весом, установленным на уровне 100, и которая включала все элементы, известные в то время. Эта работа предоставила доказательства в пользу атомной теории Дальтона - что неорганические химические соединения состоят из атомов, объединенных в целые числа.. Он определил точные элементарные составляющие большого числа соединений; результаты убедительно подтверждают закон определенных пропорций Пруста. Обнаружив, что атомный вес не является целым числом, кратным весу водорода, Берцелиус также опроверг гипотезу Праута о том, что элементы состоят из атомов водорода.

Мотивированный своими обширными определениями атомного веса и желанием помочь своим экспериментам, он ввел классическую систему химических символов и обозначений в своей публикации 1808 года Lärbok i Kemien , в которой элементы сокращены до одной или двух букв, чтобы образовать отличный символ от их латинское название. Эта система химических обозначений, в которой элементам были даны простые письменные обозначения, такие как O для кислорода или Fe для железа, с пропорциями, обозначенными цифрами, является той же базовой системой, которая используется сегодня. Единственное отличие состоит в том, что вместо номера индекса, используемого сегодня (например, H ₂ O), Берцелиус использовал верхний индекс (H ² O). Берцелиусу приписывают определение химических элементов кремния ,селен , торий и церий . Студенты, работающие в лаборатории Берцелиуса, также открыли литий и ванадий .

Берцелиус разработал радикальную теорию химического сочетания, согласно которой реакции происходят, когда молекулы обмениваются стабильными группами атомов, называемыми радикалами . Он считал, что соли представляют собой соединения, образованные из кислот и оснований , и обнаружил, что анионы в кислотах притягиваются к положительному электроду ( аноду ), тогда как катионы в основании притягиваются к отрицательному электроду ( катоду ). Берцелиус не верил в теорию витализма , а верил в регулирующую силу, которая обеспечивает организацию тканей в организме. Берцелиусу также приписывают создание химических терминов « катализ » »,полимер »,« изомер »и« аллотроп », хотя его первоначальные определения резко отличаются от современного использования. Например, он ввел термин« полимер »в 1833 году для описания органических соединений, которые имеют идентичные эмпирические формулы, но различаются по общей молекулярной массе. , причем более крупное из соединений описывалось как «полимеры» наименьшего. В соответствии с этим давно вытесненным предструктурным определением глюкоза (C ₆ H ₁₂ O ₆ ) рассматривалась как полимер формальдегида (CH ₂ O).

Новые элементы и законы газа [ править ]

Английский химик Хамфри Дэви был пионером в области электролиза. Он использовал гальваническую батарею Алессандро Вольта для разделения обычных соединений и, таким образом, выделения ряда новых элементов. Он продолжил электролиз расплавленных солей и открыл несколько новых металлов, особенно натрий и калий , элементы с высокой реакционной способностью, известные как щелочные металлы . Калий, первый металл, выделенный электролизом, был открыт в 1807 году Дэви, который получил его из каустического калия (КОН). До 19 века не делалось различий между калием и натрием. Натрий был впервые выделен Дэви в том же году путем пропускания электрического тока через расплав гидроксида натрия.(NaOH). Когда Дэви услышал, что Берцелиус и Понтин приготовили амальгаму кальция путем электролиза извести в ртути, он попробовал это сам. Дэви добился успеха и открыл кальций в 1808 году путем электролиза смеси извести и оксида ртути . ^{[58] [59]} Он работал с электролизом на протяжении всей своей жизни, а в 1808 году он выделил магний , стронций ^[60] и барий . ^[61]

Дэви также экспериментировал с газами, вдыхая их. Эта экспериментальная процедура несколько раз была почти фатальной, но привела к открытию необычных эффектов закиси азота , которая стала известна как веселящий газ. Хлор был открыт в 1774 году шведским химиком Карлом Вильгельмом Шееле , который назвал его «дефлогистированной морской кислотой» (см. Теорию флогистона ) и ошибочно решил, что он содержит кислород . Шееле наблюдал несколько свойств газообразного хлора, таких как его отбеливающее действие на лакмус, его смертельное действие на насекомых, его желто-зеленый цвет и сходство его запаха с запахом царской водки.. Однако в то время Шееле не смог опубликовать свои выводы. В 1810 году хлор получил свое нынешнее название от Хамфри Дэви (от греческого слова «зеленый»), который настаивал на том, что хлор на самом деле является элементом . ^[62] Он также показал, что кислород не может быть получен из вещества, известного как оксимуриатиновая кислота (раствор HCl). Это открытие опровергло определение Лавуазье кислот как соединений кислорода. Дэви был популярным лектором и способным экспериментатором.

Французский химик Жозеф Луи Гей-Люссак разделял интерес Лавуазье и других к количественному изучению свойств газов. Из своей первой крупной программы исследований в 1801–1802 годах он пришел к выводу, что равные объемы всех газов расширяются одинаково при одинаковом повышении температуры: этот вывод обычно называют « законом Шарля », поскольку Гей-Люссак отдал должное Жаку Шарлю , который пришел к почти такому же выводу в 1780-х годах, но не опубликовал его. ^[63] Закон был независимо открыт британским натурфилософом Джоном Далтоном к 1801 году, хотя описание Далтона было менее полным, чем описание Гей-Люссака. ^{[64] [65]}В 1804 году Гей-Люссак совершил несколько смелых восхождений на высоту более 7000 метров над уровнем моря на воздушных шарах, наполненных водородом - подвиг, которому не было равных в течение следующих 50 лет, - что позволило ему исследовать другие аспекты газов. Он не только собирал магнитные измерения на разных высотах, но также брал измерения давления, температуры и влажности, а также пробы воздуха, которые позже анализировал химическим путем.

В 1808 году Гей-Люссак объявил, что, вероятно, было его самым большим достижением: из своих экспериментов и экспериментов других он пришел к выводу, что газы при постоянной температуре и давлении объединяются в простых числовых пропорциях по объему, и полученный продукт или продукты - если газы - также содержат простая пропорция по объему к объемам реагентов. Другими словами, газы при равных условиях температуры и давления реагируют друг с другом в объемных отношениях малых целых чисел. Этот вывод впоследствии стал известен как « закон Гей-Люссака » или « Закон объединения объемов ». С его собрата профессором Политехнической школы , ТенарГей-Люссак также участвовал в ранних электрохимических исследованиях, исследуя обнаруженные с его помощью элементы. Среди других достижений они разложили борную кислоту с помощью плавленого калия, открыв таким образом элемент бор . Эти двое также приняли участие в современных дебатах, которые изменили определение кислот Лавуазье и продвинули его программу анализа органических соединений на содержание в них кислорода и водорода.

Элемент йод был открыт французским химиком Бернаром Куртуа в 1811 году. ^{[66] [67]} Куртуа дал образцы своим друзьям Шарлю Бернару Десорму (1777–1862) и Николя Клеману (1779–1841) для продолжения исследований. Он также передал часть вещества Гей-Люссаку и физику Андре-Мари Амперу . 6 декабря 1813 года Гей-Люссак объявил, что новое вещество представляет собой элемент или соединение кислорода. ^{[68] [69] [70]} Именно Гей-Люссак предложил название «iode» от греческого слова ιώδες (iodes), означающего фиолетовый (из-за цвета паров йода). ^{[66] [68]}Ампер передал часть своего образца Хэмфри Дэви. Дэви провел несколько экспериментов с этим веществом и отметил его сходство с хлором. ^[71] Дэви отправил письмо Лондонскому королевскому обществу от 10 декабря, в котором указывалось, что он обнаружил новый элемент. ^[72] Между Дэви и Гей-Люссаком разгорелись споры о том, кто первым идентифицировал йод, но оба ученых признали Куртуа первым, кто выделил этот элемент.

В 1815 году Хамфри Дэви изобрел лампу Дэви , которая позволяла шахтерам в угольных шахтах безопасно работать в присутствии горючих газов. Было много взрывов в шахтах, вызванных рудничным газом или метаном, часто воспламеняемым открытым пламенем ламп, которые тогда использовались шахтерами. Дэви задумал использовать железную сетку, чтобы закрыть пламя лампы и таким образом предотвратить выход метана, горящего внутри лампы, в общую атмосферу. Хотя идея предохранительной лампы уже была продемонстрирована Уильямом Ридом Клэнни и тогда еще неизвестным (но впоследствии очень известным) инженером Джорджем Стефенсоном.Использование Дэви проволочной сетки для предотвращения распространения пламени использовалось многими другими изобретателями в их более поздних конструкциях. Были некоторые дискуссии относительно того, открыл ли Дэви принципы, лежащие в основе его лампы, без помощи работы Смитсона Теннанта , но все согласились, что работа обоих мужчин была независимой. Дэви отказался запатентовать лампу, и за ее изобретение в 1816 году он был награжден медалью Рамфорда ^[73].

После того, как Дальтон опубликовал свою атомную теорию в 1808 году, некоторые из его центральных идей вскоре были приняты большинством химиков. Однако в течение полувека сохранялась неуверенность в том, как атомную теорию следует сконфигурировать и применить к конкретным ситуациям; химики в разных странах разработали несколько разных несовместимых атомистических систем. Работа, предлагавшая выход из этой сложной ситуации, была опубликована еще в 1811 году итальянским физиком Амедео Авогадро (1776-1856), который предположил, что равные объемы газов при одинаковой температуре и давлении содержат равное количество молекул, из которых из этого следовало, что относительная молекулярная массалюбых двух газов такие же, как отношение плотностей двух газов при одинаковых условиях температуры и давления. Авогадро также рассуждал, что простые газы не образованы отдельными атомами, а представляют собой составные молекулы из двух или более атомов. Таким образом, Авогадро смог преодолеть трудность, с которой столкнулись Дальтон и другие, когда Гей-Люссак сообщил, что при температуре выше 100 ° C объем водяного пара вдвое превышает объем кислорода, использованного для его образования. По словам Авогадро, молекула кислорода разделилась на два атома в процессе образования водяного пара.

Гипотеза Авогадро игнорировалась в течение полувека после ее первой публикации. Было приведено множество причин такого пренебрежения, в том числе некоторые теоретические проблемы, такие как «дуализм» Йонса Якоба Берцелиуса, который утверждал, что соединения удерживаются вместе за счет притяжения положительных и отрицательных электрических зарядов, что делает немыслимым, чтобы молекула, состоящая из двух электрически подобные атомы - как в кислороде - могут существовать. Дополнительным препятствием для принятия было то, что многие химики неохотно применяли физические методы (такие как определение плотности пара) для решения своих проблем. К середине века, однако, некоторые ведущие деятели начали рассматривать хаотическое множество конкурирующих систем атомных весов и молекулярных формул как недопустимое. Более того,начали собираться чисто химические доказательства того, что подход Авогадро в конце концов может быть правильным. В 1850-х годах молодые химики, такие какАлександр Уильямсон в Англии, Чарльз Герхард и Шарль-Адольф Вюрц во Франции и Август Кекуле в Германии начали отстаивать реформу теоретической химии, чтобы привести ее в соответствие с теорией Авогадриана.

Велер и дебаты о витализме [ править ]

В 1825 году Фридрих Велер и Юстус фон Либих выполнили первое подтвержденное открытие и объяснение изомеров , ранее названных Берцелиусом. Работая с циановой кислотой и фульминовой кислотой , они правильно пришли к выводу, что изомерия была вызвана различным расположением атомов в молекулярной структуре. В 1827 году Уильям Праут классифицировал биомолекулы на их современные группы: углеводы , белки и липиды . После того, как природа горения была улажена, возник спор о витализме.и началось существенное различие между органическими и неорганическими веществами. Революция в вопросе витализма произошла в 1828 году, когда Фридрих Велер синтезировал мочевину , тем самым установив, что органические соединения могут быть получены из неорганических исходных материалов, и опровергнув теорию витализма.

Это открыло новую область исследований в химии, и к концу 19 века ученые смогли синтезировать сотни органических соединений. Наиболее важными из них являются лиловый , пурпурный и другие синтетические красители , а также широко применяемый лекарственный препарат аспирин . Открытие искусственного синтеза мочевины внесло большой вклад в теорию изомерии , поскольку эмпирические химические формулы для мочевины и цианата аммония идентичны (см. Синтез Велера ). В 1832 году Фридрих Велер и Юстус фон Либих открыли и объяснили функциональные группы и радикалы.применительно к органической химии, а также впервые синтезировал бензальдегид . Либих, немецкий химик, внес большой вклад в сельскохозяйственную и биологическую химию и работал над организацией органической химии . Либиха считают «отцом индустрии удобрений » за его открытие азота как основного питательного вещества для растений и его формулировку Закона минимума, в котором описывается влияние отдельных питательных веществ на сельскохозяйственные культуры.

Середина 1800-х годов [ править ]

В 1840 году Жермен Гесс предложил закон Гесса , раннее изложение закона сохранения энергии , который устанавливает, что изменения энергии в химическом процессе зависят только от состояния исходных материалов и материалов продукта, а не от конкретного пути между ними. состояния. В 1847 году Герман Кольбе получил уксусную кислоту из полностью неорганических источников, что еще больше опровергло витализм. В 1848 году Уильям Томсон, 1-й барон Кельвин (широко известный как лорд Кельвин) установил концепцию абсолютного нуля , температуры, при которой прекращается любое движение молекул. В 1849 году Луи Пастер обнаружил, чторацемическая форма винной кислоты представляет собой смесь левовращающей и правовращающей форм, таким образом проясняя природу оптического вращения и продвигая область стереохимии . ^[74] В 1852 году Август Бир предложил закон Бера , который объясняет взаимосвязь между составом смеси и количеством света, которое она будет поглощать. Частично основанный на более ранних работах Пьера Бугера и Иоганна Генриха Ламбера , он разработал аналитическую технику, известную как спектрофотометрия . ^[75] В 1855 году Бенджамин Силлиман-младший.разработал методы крекинга нефти , которые сделали возможной всю современную нефтехимическую промышленность . ^[76]

Гипотеза Авогадро стала пользоваться широкой популярностью среди химиков только после того, как его соотечественник и коллега-ученый Станислао Канниццаро продемонстрировал ее ценность в 1858 году, через два года после смерти Авогадро. Химические интересы Канниццаро ​​первоначально были сосредоточены на натуральных продуктах и ​​реакциях ароматических соединений ; в 1853 году он обнаружил, что при обработке бензальдегида концентрированным основанием образуются как бензойная кислота, так и бензиловый спирт - явление, известное сегодня как реакция Канниццаро.. В своей брошюре 1858 года Канниццаро ​​показал, что полное возвращение к идеям Авогадро может быть использовано для построения последовательной и надежной теоретической структуры, которая соответствует почти всем доступным эмпирическим данным. Например, он указал на свидетельства, свидетельствующие о том, что не все элементарные газы состоят из двух атомов на молекулу - некоторые одноатомные , большинство двухатомных , а некоторые даже более сложные.

Еще одним предметом спора были формулы соединений щелочных металлов (таких как натрий ) и щелочноземельных металлов (таких как кальций ), которые, ввиду их поразительных химических аналогий, большинство химиков хотели приписать одной и той же формуле тип. Канниццаро ​​утверждал, что отнесение этих металлов к разным категориям дало положительный результат в виде устранения определенных аномалий при использовании их физических свойств для определения атомного веса. К сожалению, брошюра Канниццаро ​​изначально была опубликована только на итальянском языке и сразу же не оказала большого влияния. Настоящим прорывом стал международный химический конгресс, проведенный в немецком городе Карлсруэ.в сентябре 1860 г., на котором присутствовало большинство ведущих европейских химиков. Конгресс в Карлсруэ был организован Кекуле, Вюрцем и некоторыми другими, которые разделяли представление Канниццаро ​​о том, в каком направлении должна идти химия. Говоря по-французски (как и все присутствующие), красноречие и логика Канниццаро ​​произвели неизгладимое впечатление на собранное тело. Более того, его друг Анджело Павеси раздал участникам брошюру Канниццаро ​​в конце встречи; позднее не один химик написал о решающем впечатлении, которое произвело чтение этого документа. Например, Лотар Мейер позже написал, что, читая статью Канниццаро, «казалось, что с моих глаз свалилась чешуя». ^[77]Таким образом, Канниццаро ​​сыграл решающую роль в победе в битве за реформы. Система, которую он отстаивал и вскоре после этого была принята большинством ведущих химиков, по существу идентична той, которая используется до сих пор.

Перкин, Крукс и Нобель [ править ]

В 1856 году сэр Уильям Генри Перкин , возраст 18, учитывая вызов своим профессором, Август Вильгельм фон Хофман , стремился синтезировать хинин , анти- малярии наркотиков, из каменноугольной смолы . В одной из попыток Перкин окисил анилин с помощью дихромата калия , примеси толуидина которого вступили в реакцию с анилином и дали черное твердое вещество, что указывает на «неудавшийся» органический синтез. Очистив колбу спиртом, Перкин заметил порции раствора фиолетового цвета: побочным продуктом этой попытки стал первый синтетический краситель, известный как мовеин.или сиреневый Перкина. Открытие Перкина положило начало индустрии синтеза красителей, одной из первых успешных отраслей химической промышленности.

Немецкий химик Август Кекуле фон Stradonitz наиболее важным вкладом была его структурная теория органического состава, изложены в двух статьях , опубликованные в 1857 г. и 1858 г. и лечение в мельчайших подробностях на страницах его чрезвычайно популярной Lehrbuch дер Organischen Chemie ( "Учебник органической Химия »), первая часть которой вышла в 1859 году и постепенно расширилась до четырех томов. Кекуле утверждал, что четырехвалентные атомы углерода, то есть углерод, образующий ровно четыре химические связи- мог соединяться вместе, образуя то, что он назвал «углеродной цепью» или «углеродным скелетом», к которому могли присоединиться другие атомы с другими валентностями (такими как водород, кислород, азот и хлор). Он был убежден, что химик может определить эту детальную молекулярную архитектуру, по крайней мере, для более простых органических соединений, известных в его время. Кекуле был не единственным химиком, который делал такие заявления в ту эпоху. Почти одновременно шотландский химик Арчибальд Скотт Купер опубликовал аналогичную теорию, а русский химик Александр Бутлеров многое сделал для прояснения и расширения теории структуры. Однако в химическом сообществе преобладали идеи Кекуле.

Британский химик и физик Уильям Крукс известен своими исследованиями катодных лучей , фундаментальными для развития атомной физики . Его исследования электрических разрядов в разреженном газе привели его к наблюдению за темным пространством вокруг катода, которое теперь называется темным пространством Крукса. Он продемонстрировал, что катодные лучи движутся по прямым линиям и производят фосфоресценцию и тепло при попадании на определенные материалы. Пионер электронных ламп, Крукс изобрел трубку Крукса - раннюю экспериментальную газоразрядную трубку с частичным вакуумом, с помощью которой он изучал поведение катодных лучей. С введением анализа спектра по Бунзен и Кирхгоф(1859-1860) Крукс применил новую технику к изучению соединений селена . Бунзен и Кирхгоф ранее использовали спектроскопию как средство химического анализа для обнаружения цезия и рубидия . В 1861 году Крукс использовал этот процесс, чтобы обнаружить таллий в некоторых селенистых отложениях. Он продолжил работу над этим новым элементом, выделил его, изучил его свойства и в 1873 году определил его атомный вес. Во время своих исследований таллия Крукс открыл принцип радиометра Крукса , устройства, которое преобразует световое излучение во вращательное движение. Принцип этого радиометра нашел множество применений при разработке чувствительных измерительных приборов.

В 1862 году Александр Паркс представил Паркезин , один из первых синтетических полимеров , на Международной выставке в Лондоне. Это открытие легло в основу современной индустрии пластмасс . В 1864 году Катон Максимилиан Гульдберг и Питер Вааге , основываясь на идеях Клода Луи Бертолле, предложили закон массового действия . В 1865 году Иоганн Йозеф Лошмидт определил точное количество молекул в молье , позже названное числом Авогадро .

В 1865 году Август Кекуле, частично опираясь на работы Лошмидта и других, установил структуру бензола в виде шестиуглеродного кольца с чередующимися одинарными и двойными связями . Новое предложение Кекуле о циклической структуре бензола вызывало много споров, но так и не было заменено более совершенной теорией. Эта теория послужила научной основой для резкого роста немецкой химической промышленности в последней трети XIX века. Сегодня подавляющее большинство известных органических соединений являются ароматическими, и все они содержат по крайней мере одно гексагональное бензольное кольцо того типа, который защищал Кекуле. Кекуле также известен тем, что разъяснил природу ароматических соединений, которые представляют собой соединения, основанные на молекуле бензола. В 1865 году Адольф фон Байер начал работу над красителем индиго., веха в современной промышленной органической химии, которая произвела революцию в красильной промышленности.

Шведский химик и изобретатель Альфред Нобель обнаружил, что когда нитроглицерин был включен в абсорбирующее инертное вещество, такое как кизельгур ( диатомитовая земля ), он стал более безопасным и удобным в обращении, и эту смесь он запатентовал в 1867 году как динамит . Позже Нобель объединил нитроглицерин с различными соединениями нитроцеллюлозы, похожими на коллодий , но остановился на более эффективном рецепте, сочетающем другое нитратное взрывчатое вещество, и получил прозрачное желеобразное вещество, которое было более мощным взрывчатым веществом, чем динамит. Гелигнит, или взрывной желатин, как его называли, был запатентован в 1876 году; за ним последовало множество подобных комбинаций, модифицированных добавлением нитрата калия и различных других веществ.

Таблица Менделеева [ править ]

Важным прорывом в понимании списка известных химических элементов (а также в понимании внутренней структуры атомов) стала разработка Дмитрием Менделеевым первой современной таблицы Менделеева., или периодическая классификация элементов. Менделеев, русский химик, чувствовал, что в элементах существует какой-то порядок, и он провел более тринадцати лет своей жизни, собирая данные и конструируя концепцию, первоначально с идеей разрешить некоторые беспорядки в этой области для своих учеников. . Менделеев обнаружил, что, когда все известные химические элементы расположены в порядке возрастания атомного веса, полученная таблица показывает повторяющийся образец или периодичность свойств внутри групп элементов. Закон Менделеева позволил ему построить систематическую периодическую таблицу всех 66 известных тогда элементов на основе атомной массы, которую он опубликовал в Principles of Chemistry.в 1869 году. Его первая Периодическая таблица была составлена ​​на основе расположения элементов в порядке возрастания атомного веса и группировки их по сходству свойств.

Менделеев настолько верил в справедливость периодического закона, что предлагал изменения общепринятых значений атомного веса нескольких элементов и в своей версии периодической таблицы 1871 года предсказал расположение в таблице неизвестных элементов вместе. со своими свойствами. Он даже предсказал вероятные свойства трех еще не открытых элементов, которые он назвал экабороном (Eb), экаалюмием (Ea) и экасиликом (Es) , которые оказались хорошими предикторами свойств скандия , галлия , и германий , соответственно, каждый из которых занимает место в периодической таблице, указанное Менделеевым.

Сначала периодическая система не вызывала интереса у химиков. Однако с открытием предсказанных элементов, особенно галлия в 1875 году, скандия в 1879 году и германия в 1886 году, он начал завоевывать широкое признание. Последующее подтверждение многих его предсказаний при его жизни прославило Менделеева как основателя периодического закона. Эта организация превзошла более ранние попытки классификации Александра-Эмиля Бегайе де Шанкуртуа , который опубликовал теллурическую спираль, раннюю трехмерную версию периодической таблицы элементов в 1862 году, Джона Ньюлендса , который предложил закон октав (предшественник к периодическому закону) в 1864 году, и Лотар Мейер , который разработал раннюю версию периодической таблицы с 28 элементами, организованнымивалентность в 1864 году. Таблица Менделеева не включала , однако, благородные газы , которые еще не были открыты. Постепенно периодический закон и таблица стали основой большей части химической теории. К моменту смерти Менделеева в 1907 году он пользовался международным признанием и был награжден знаками отличия и наградами многих стран.

В 1873 году Якобус Хенрикус ван 'т Хофф и Джозеф Ахилле Ле Бел , работая независимо друг от друга, разработали модель химической связи, которая объяснила эксперименты Пастера с хиральностью и предоставила физическую причину оптической активности хиральных соединений. ^[78] Публикация ван 'т Хоффа под названием V oorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimte и т. Д. (Предложение по разработке трехмерных химических структурных формул), состоящая из двенадцати страниц текста и одной страницы диаграмм, дал толчок развитию стереохимии. Концепция «асимметричного атома углерода», рассматриваемая в этой публикации, дает объяснение возникновения многочисленных изомеров, необъяснимых с помощью нынешних структурных формул. В то же время он указал на наличие связи между оптической активностью и наличием асимметричного атома углерода.

Джозайя Уиллард Гиббс [ править ]

Работа американского физика-математика Дж. Уилларда Гиббса по применению термодинамики сыграла важную роль в превращении физической химии в строгую дедуктивную науку. В период с 1876 по 1878 год Гиббс работал над принципами термодинамики, применяя их к сложным процессам, связанным с химическими реакциями. Он открыл концепцию химического потенциала или «топлива», которое заставляет химические реакции работать. В 1876 году он опубликовал свой самый известный труд « О равновесии гетерогенных веществ », сборник его работ по термодинамике и физической химии, в которых изложена концепция свободной энергии.для объяснения физических основ химического равновесия. ^[79] Эти очерки положили начало теории фаз материи Гиббса: он считал каждое состояние материи фазой, а каждое вещество - компонентом. Гиббс взял все переменные, участвующие в химической реакции - температуру, давление, энергию, объем и энтропию - и включил их в одно простое уравнение, известное как правило фаз Гиббса .

В этой статье был, пожалуй, самый выдающийся его вклад - введение концепции свободной энергии, которая теперь в его честь повсеместно называется свободной энергией Гиббса . Свободная энергия Гиббса связывает тенденцию физической или химической системы одновременно снижать свою энергию и увеличивать беспорядок, или энтропию , в спонтанном естественном процессе. Подход Гиббса позволяет исследователю рассчитать изменение свободной энергии в процессе, например, в химической реакции, и как быстро это произойдет. Поскольку практически все химические процессы и многие физические процессы связаны с такими изменениями, его работа значительно повлияла как на теоретические, так и на экспериментальные аспекты этих наук. В 1877 году Людвиг Больцманнустановил статистические выводы многих важных физических и химических понятий, включая энтропию и распределения молекулярных скоростей в газовой фазе. ^[80] Вместе с Больцманом и Джеймсом Клерком Максвеллом Гиббс создал новую ветвь теоретической физики, названную статистической механикой (термин, который он придумал), объясняя законы термодинамики как следствия статистических свойств больших ансамблей частиц. Гиббс также работал над применением уравнений Максвелла к задачам физической оптики. Вывод Гиббса феноменологических законов термодинамики из статистических свойств систем со многими частицами был представлен в его очень влиятельном учебнике.Элементарные принципы статистической механики , опубликованные в 1902 году, за год до его смерти. В этой работе Гиббс рассмотрел взаимосвязь между законами термодинамики и статистической теорией молекулярных движений. Превышение исходной функции частичными суммами ряда Фурье в точках разрыва известно как явление Гиббса .

Конец 19 века [ править ]

Изобретение немецким инженером Карлом фон Линде непрерывного процесса сжижения газов в больших количествах легло в основу современной технологии охлаждения и дало импульс и средства для проведения научных исследований при низких температурах и очень высоком вакууме. Он разработал холодильник с диметиловым эфиром (1874 г.) и холодильник с аммиаком (1876 г.). Хотя другие холодильные установки были разработаны ранее, Linde были первыми, кто проектировался с целью точного расчета эффективности. В 1895 году он основал крупный завод по производству жидкого воздуха. Шесть лет спустя он разработал метод отделения чистого жидкого кислорода от жидкого воздуха, который привел к повсеместному промышленному преобразованию в процессы с использованием кислорода (например, впроизводство стали ).

В 1883 году Сванте Аррениус разработал ионную теорию для объяснения проводимости электролитов . ^[81] В 1884 году Якобус Хенрикус ван 'т Хофф опубликовал « Études de Dynamique chimique» (Исследования по динамической химии), основополагающее исследование химической кинетики . ^[82]В этой работе Ван'т Гофф впервые вошел в область физической химии. Большое значение имело его развитие общей термодинамической связи между теплотой превращения и смещением равновесия в результате изменения температуры. При постоянном объеме равновесие в системе будет иметь тенденцию смещаться в таком направлении, чтобы противодействовать изменению температуры, которое накладывается на систему. Таким образом, понижение температуры приводит к выделению тепла, а повышение температуры приводит к поглощению тепла. Этот принцип подвижного равновесия был впоследствии (1885 г.) изложен в общей форме Генри Луи Ле Шателье , который расширил этот принцип, включив в него компенсацию за счет изменения объема наложенных изменений давления. Принцип Ван 'т Гоффа-Ле Шателье,или простоПринцип Ле Шателье объясняет реакцию динамического химического равновесия на внешние напряжения. ^[83]

В 1884 году Герман Эмиль Фишер предложил структуру пурина , ключевую структуру многих биомолекул, которую он позже синтезировал в 1898 году. Он также начал работу над химией глюкозы и родственных сахаров . ^[84] В 1885 году Юджин Гольдштейн назвал катодный луч, который , как позже выяснилось, состоит из электронов, и канальный луч , который позже был обнаружен как положительные ионы водорода, лишенные электронов в электронно-лучевой трубке ; позже они будут названы протонами . ^[85] В 1885 году была опубликована книга Дж. Х. ван 'т Хоффа.L'Equilibre chimique dans les Systèmes gazeux ou dissous à I'État dilué (Химическое равновесие в газовых системах или сильно разбавленных растворах), в котором рассматривается теория разбавленных растворов. Здесь он продемонстрировал, что « осмотическое давление » в растворах, которые достаточно разбавлены, пропорционально концентрации и абсолютной температуре, так что это давление может быть представлено формулой, которая отклоняется от формулы для давления газа только коэффициентом i . Он также определил значение i различными методами, например, с помощью давления пара и Франсуа-Мари Рауля.Результаты по понижению точки замерзания. Таким образом Ван 'т Хофф смог доказать, что законы термодинамики справедливы не только для газов, но и для разбавленных растворов. Его законы давления, получившие общую применимость в теории электролитической диссоциации Аррениуса (1884-1887) - первого иностранца, приехавшего с ним работать в Амстердам (1888), - считаются наиболее всеобъемлющими и важными в области естественных наук. В 1893 году Альфред Вернер открыл октаэдрическую структуру комплексов кобальта, положив начало области координационной химии . ^[86]

Открытие Рамзи благородных газов [ править ]

Самые знаменитые открытия шотландского химика Уильяма Рамзи были сделаны в области неорганической химии. Рамзи был заинтригован британским физиком Джоном Струттом, открытием в 1892 году третьего барона Рэлея, что атомный вес азота в химических соединениях был ниже, чем у азота в атмосфере. Он приписал это несоответствие легкому газу, входящему в химические соединения азота, в то время как Рамзи подозревал, что в атмосферном азоте присутствует еще не обнаруженный тяжелый газ. Используя два разных метода для удаления всех известных газов из воздуха, Рамзи и лорд Рэлей смогли объявить в 1894 году, что они обнаружили одноатомный химически инертный газообразный элемент, составляющий почти 1 процент атмосферы; они назвали это аргоном.

В следующем году Рамзи освободил еще один инертный газ из минерала под названием клевеит ; это оказался гелий , ранее известный только в солнечном спектре. В своей книге «Газы атмосферы» (1896 г.) Рамзи показал, что положение гелия и аргона в периодической таблице элементов указывает на то, что может существовать по крайней мере еще три благородных газа. В 1898 году Рамзи и британский химик Моррис В. Траверс выделили эти элементы - неон , криптон и ксенон - из воздуха, переведенного в жидкое состояние при низкой температуре и высоком давлении. Сэр Уильям Рамзи работал с Фредериком Соддичтобы продемонстрировать в 1903 году, что альфа-частицы (ядра гелия) непрерывно образуются во время радиоактивного распада образца радия. Рамзи был удостоен Нобелевской премии по химии 1904 года в знак признания «заслуг в открытии инертных газообразных элементов в воздухе и определении их места в периодической системе».

В 1897 году Дж. Дж. Томсон открыл электрон с помощью электронно-лучевой трубки . В 1898 году Вильгельм Вин продемонстрировал, что лучи канала (потоки положительных ионов) могут отклоняться магнитными полями, и что величина отклонения пропорциональна отношению массы к заряду . Это открытие привело к появлению в 1912 году аналитического метода, известного как масс-спектрометрия ^[87].

Мари и Пьер Кюри [ править ]

Мария Склодовская-Кюри - французский физик и химик польского происхождения, известная своими новаторскими исследованиями радиоактивности . Считается, что она и ее муж заложили краеугольный камень ядерного века в своих исследованиях радиоактивности. Мари была очарована работой Анри Беккереля , французского физика, который в 1896 году обнаружил, что уран испускает лучи, похожие на рентгеновские лучи, открытые Вильгельмом Рентгеном.. Мария Кюри начала изучать уран в конце 1897 года и предположила, согласно статье 1904 года, которую она написала для журнала Century, «что излучение лучей соединениями урана является свойством самого металла, а именно атомным свойством элемента. уран независимо от его химического или физического состояния ". Кюри продвинула работу Беккереля на несколько шагов вперед, проведя собственные эксперименты с урановыми лучами. Она обнаружила, что лучи остаются постоянными, независимо от состояния или формы урана. Она предположила, что лучи исходят от атомной структуры элемента. Эта революционная идея создала область атомной физики, и Кюри придумали слово радиоактивность для описания этого явления.

Пьер и Мари далее исследовали радиоактивность, работая над разделением веществ в урановых рудах, а затем используя электрометр для измерения радиации, чтобы «отследить» мельчайшее количество неизвестного радиоактивного элемента среди образовавшихся фракций. Работая с минеральной ураной , в 1898 году пара открыла новый радиоактивный элемент. Они назвали этот элемент полонием в честь родины Мари, Польши. 21 декабря 1898 года Кюри обнаружили в настуране еще один радиоактивный материал. 26 декабря они представили это открытие Французской академии наук , предложив назвать новый элемент радием.. Затем Кюри приступили к работе по выделению полония и радия из природных соединений, чтобы доказать, что они являются новыми элементами. В 1902 году Кюри объявили, что получили дециграмму чистого радия, продемонстрировав его существование как уникального химического элемента. Хотя им потребовалось три года, чтобы выделить радий, им так и не удалось выделить полоний. Наряду с открытием двух новых элементов и поиском методов выделения радиоактивных изотопов, Кюри руководила первыми в мире исследованиями по лечению новообразований с использованием радиоактивных изотопов. Вместе с Анри Беккерелем и ее мужем Пьером Кюри она была удостоена Нобелевской премии по физике 1903 года . Она была единственным лауреатом Нобелевской премии по химии 1911 года.. Она была первой женщиной, получившей Нобелевскую премию, и единственной женщиной, получившей награду в двух разных областях.

Работая с Мари над извлечением чистых веществ из руд, предприятие, которое действительно требовало промышленных ресурсов, но которое было достигнуто в относительно примитивных условиях, сам Пьер сосредоточился на физическом изучении (включая световые и химические эффекты) новых излучений. Посредством действия магнитных полей на лучи, испускаемые радием, он доказал существование электрически положительных, отрицательных и нейтральных частиц; они Эрнест Резерфорд был позже , чтобы вызов альфа, бета и гамма - лучи. Затем Пьер изучил эти излучения калориметрическим методом.а также наблюдали физиологические эффекты радия, открывая тем самым путь к радиевой терапии. Среди открытий Пьера Кюри было то, что ферромагнетики демонстрируют критический температурный переход, выше которого вещества теряют свое ферромагнитное поведение - это известно как « точка Кюри ». Он был избран в Академию наук (1905), получив в 1903 году вместе с Мари престижную медаль Дэви Королевского общества и вместе с ней и Беккерелем Нобелевскую премию по физике. Он был сбит экипажем на улице Дофин в Париже в 1906 году и умер мгновенно. Полное собрание его сочинений было опубликовано в 1908 году.

Эрнест Резерфорд [ править ]

Новозеландский химик и физик Эрнест Резерфорд считается «отцом ядерной физики ». Резерфорд наиболее известен тем, что придумал названия альфа , бета и гамма для классификации различных форм радиоактивных «лучей», которые были плохо изучены в его время (альфа- и бета-лучи - это пучки частиц, а гамма-лучи - форма высокоэнергетических электромагнитных волн). радиация ). Резерфорд отклонил альфа-лучи как электрическим, так и магнитным полями в 1903 году. Работая с Фредериком Содди , Резерфорд объяснил, что радиоактивность возникает из-за трансмутации элементов, которая, как теперь известно, включаетядерные реакции .

Он также заметил, что интенсивность радиоактивности радиоактивного элемента уменьшается в течение уникального и регулярного промежутка времени до точки стабильности, и он назвал время уменьшения вдвое « периодом полураспада ». В 1901 и 1902 годах он работал с Фредериком Содди, чтобы доказать, что атомы одного радиоактивного элемента могут самопроизвольно превращаться в другой, выталкивая часть атома с большой скоростью. В 1906 году в Манчестерском университете Резерфорд руководил экспериментом, проведенным его учениками Хансом Гейгером (известным счетчиком Гейгера ) и Эрнестом Марсденом . В эксперименте Гейгера – Марсдена пучок альфа-частиц, образованный при радиоактивном распаде радона, направляли обычно на лист очень тонкой золотой фольги в вакуумированной камере. Согласно преобладающей модели сливового пудинга , все альфа-частицы должны были пройти через фольгу и попасть на экран детектора или отклониться максимум на несколько градусов.

Однако реальные результаты удивили Резерфорда. Хотя многие из альфа-частиц действительно прошли, как и ожидалось, многие другие были отклонены под небольшими углами, в то время как другие отражались обратно в альфа-источник. Они заметили, что очень небольшой процент частиц отклоняется на углы, намного превышающие 90 градусов. Эксперимент с золотой фольгой показал большие отклонения для небольшой части падающих частиц. Резерфорд понял, что из-за того, что некоторые из альфа-частиц отклоняются или отражаются, атом имеет концентрированный центр положительного заряда и относительно большую массу - позже Резерфорд назвал этот положительный центр « атомным ядром».". Альфа-частицы либо попали в положительный центр напрямую, либо прошли мимо него достаточно близко, чтобы на них повлиял его положительный заряд. Поскольку многие другие частицы прошли через золотую фольгу, положительный центр должен быть относительно небольшого размера по сравнению с остальная часть атома - это означает, что атом в основном представляет собой открытое пространство. На основе своих результатов Резерфорд разработал модель атома, похожую на солнечную систему, известную как модель Резерфорда . Подобно планетам, электроны вращаются вокруг центральной солнечной За свои работы с излучением и атомным ядром Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии 1908 года.

20 век [ править ]

В 1903 году Михаил Цвет изобрел хроматографию , важный аналитический метод. В 1904 году Хантаро Нагаока предложил раннюю ядерную модель атома, в которой электроны вращаются вокруг плотного массивного ядра. В 1905 году Фриц Габер и Карл Бош разработали процесс Габера для производства аммиака , что стало важной вехой в промышленной химии, имевшей серьезные последствия для сельского хозяйства. Процесс Габера или процесс Габера-Боша, объединяющий азот и водород.для производства аммиака в промышленных количествах для производства удобрений и боеприпасов. Производство продуктов питания для половины нынешнего населения мира зависит от этого метода производства удобрений. Габер вместе с Максом Борном предложил цикл Борна – Габера как метод оценки энергии решетки ионного твердого тела. Хабера также называют «отцом химической войны » за его работу по разработке и применению хлора и других ядовитых газов во время Первой мировой войны.

В 1905 году Альберт Эйнштейн объяснил броуновское движение способом, окончательно доказавшим атомную теорию. Лео Бэкеланд изобрел бакелит , один из первых коммерчески успешных пластиков. В 1909 году американский физик Роберт Эндрюс Милликен , обучавшийся в Европе у Вальтера Нернста и Макса Планка, с беспрецедентной точностью измерил заряд отдельных электронов в эксперименте с каплей масла., в котором он измерил электрические заряды крошечных падающих капель воды (а позже и нефти). Его исследование установило, что электрический заряд любой конкретной капли кратен определенной фундаментальной величине - заряду электрона - и, таким образом, является подтверждением того, что все электроны имеют одинаковый заряд и массу. Начиная с 1912 года, он провел несколько лет, исследуя и наконец доказав предложенную Альбертом Эйнштейном линейную зависимость между энергией и частотой и предоставив первую прямую фотоэлектрическую поддержку постоянной Планка . В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике.

В 1909 году SPL Соренсен изобрел концепцию pH и разработал методы измерения кислотности. В 1911 году Антониус Ван ден Брук предложил идею о том, что элементы периодической таблицы более правильно организованы положительным ядерным зарядом, а не атомным весом. В 1911 году в Брюсселе прошла первая Сольвеевская конференция , на которой собралось большинство самых выдающихся ученых того времени. В 1912 году Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоуренс Брэгг предложили закон Брэгга и основали область рентгеновской кристаллографии , важного инструмента для выяснения кристаллической структуры веществ. В 1912 году Питер Дебай использовал понятие молекулярного диполя для описания асимметричного распределения заряда в некоторых молекулах.

Нильс Бор [ править ]

В 1913 году датский физик Нильс Бор ввел концепции квантовой механики в структуру атома, предложив то, что сейчас известно как модель атома Бора , в которой электроны существуют только на строго определенных круговых орбитах вокруг ядра, подобных ступеням на атоме. лестница. Модель Бора - это планетная модель, в которой отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг небольшого положительно заряженного ядра, похожего на планеты, вращающиеся вокруг Солнца (за исключением того, что орбиты не плоские) - гравитационная сила Солнечной системы математически сродни притяжению. Кулоновская (электрическая) сила между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами.

Однако в модели Бора электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, которые имеют заданный размер и энергию - уровни энергии, как говорят, квантованы , что означает, что разрешены только определенные орбиты с определенными радиусами; промежуточных орбит просто не существует. Энергия орбиты связана с ее размером, то есть наименьшая энергия находится на наименьшей орбите. Бор также постулировал, что электромагнитное излучение поглощается или испускается, когда электрон движется с одной орбиты на другую. Поскольку разрешены только определенные электронные орбиты, излучение света, сопровождающее скачок электрона из возбужденного энергетического состояния в основное состояние, создает уникальный спектр излучения для каждого элемента. Позже Бор получил за эту работу Нобелевскую премию по физике.

Нильс Бор также работал над принципом дополнительности , согласно которому электрон можно интерпретировать двумя взаимоисключающими и действительными способами. Электроны можно интерпретировать как модели волн или частиц. Его гипотеза заключалась в том, что входящая частица ударится по ядру и создаст возбужденное составное ядро. Это легло в основу его модели жидкой капли, а затем послужило теоретической базой для ядерного деления после его открытия химиками Отто Ханом и Фрицем Штрассманом , а также объяснения и обозначения физиками Лизе Мейтнер и Отто Фриш .

В 1913 году Генри Мозли , опираясь на более раннюю идею Ван ден Брука, ввел понятие атомного числа, чтобы исправить некоторые недостатки периодической таблицы Менделеева, основанной на атомном весе. Пик карьеры Фредерика Содди в радиохимии пришелся на 1913 год, когда он сформулировал концепцию изотопов , в которой говорилось, что определенные элементы существуют в двух или более формах, которые имеют разный атомный вес, но химически неразличимы. Его помнят за доказательство существования изотопов определенных радиоактивных элементов, а также приписывают, наряду с другими, открытие элемента протактиний.в 1917 г. В 1913 г. Дж. Дж. Томсон расширил работу Вина, показав, что заряженные субатомные частицы можно разделить по их соотношению массы к заряду, метод, известный как масс-спектрометрия .

Гилберт Н. Льюис [ править ]

Американский физик-химик Гилберт Н. Льюис заложил основы теории валентных связей ; он сыграл важную роль в развитии теории связи, основанной на числе электронов во внешней «валентной» оболочке атома. В 1902 году, когда Льюис пытался объяснить своим ученикам валентность, он изобразил атомы в виде концентрических кубов с электронами в каждом углу. Этот «кубический атом» объяснил восемь групп в периодической таблице и представил его идею о том, что химические связи образуются переносом электронов, чтобы дать каждому атому полный набор из восьми внешних электронов («октет»).

Теория химической связи Льюиса продолжала развиваться, и в 1916 году он опубликовал свою основополагающую статью «Атом молекулы», в которой предположил, что химическая связь - это пара электронов, разделяемых двумя атомами. Модель Льюиса приравнивала классическую химическую связь к разделению пары электронов между двумя связанными атомами. Льюис представил в этой статье «электронные точечные диаграммы» для обозначения электронных структур атомов и молекул. Теперь известные как структуры Льюиса , они обсуждаются практически во всех вводных книгах по химии.

Вскоре после публикации своей статьи 1916 года Льюис занялся военными исследованиями. Он не возвращался к теме химической связи до 1923 года, когда он мастерски резюмировал свою модель в короткой монографии под названием Валентность и структура атомов и молекул. Возобновление его интереса к этому предмету было в значительной степени стимулировано деятельностью американского химика и исследователя General Electric Ирвинга Ленгмюра , который между 1919 и 1921 годами популяризировал и разработал модель Льюиса. Впоследствии Ленгмюр ввел термин « ковалентная связь» . В 1921 году Отто Штерн и Вальтер Герлах основали концепцию квантово-механического спина в субатомных частицах.

Для случаев, когда не было никакого разделения, Льюис в 1923 году разработал теорию электронных пар кислот и основания : Льюис переопределил кислоту как любой атом или молекулу с неполным октетом, которые, таким образом, были способны принимать электроны от другого атома; базы были, конечно, донорами электронов. Его теория известна как концепция кислот и оснований Льюиса . В 1923 году Г. Н. Льюис и Мерл Рэндалл опубликовали первый современный трактат по химической термодинамике « Термодинамика и свободная энергия химических веществ» .

В 1920-х годах модель Льюиса пары электронов была принята и применена в области органической и координационной химии. В органической химии это произошло прежде всего благодаря усилиям британских химиков Артура Лэпворта , Роберта Робинсона , Томаса Лоури и Кристофера Ингольда ; в то время как в координационной химии модель связи Льюиса была продвинута благодаря усилиям американского химика Мориса Хаггинса и британского химика Невила Сиджвика .

Квантовая механика [ править ]

В 1924 году французский квантовый физик Луи де Бройль опубликовал свою диссертацию, в которой представил революционную теорию электронных волн, основанную на дуальности волна-частица . В свое время интерпретации света и материи волнами и частицами рассматривались как противоречащие друг другу, но де Бройль предположил, что эти, казалось бы, разные характеристики представляли собой одно и то же поведение, наблюдаемое с разных точек зрения - что частицы могут вести себя как волны, и волны (излучение) могут вести себя как частицы. Предложение Бройля предлагало объяснение ограниченного движения электронов.внутри атома. Первые публикации идеи Бройля о "материальных волнах" не привлекли особого внимания со стороны других физиков, но копия его докторской диссертации случайно достигла Эйнштейна, который откликнулся с энтузиазмом. Эйнштейн подчеркнул важность работы Бройля как прямо, так и в дальнейшем.

В 1925 году физик австрийского происхождения Вольфганг Паули разработал принцип исключения Паули, согласно которому никакие два электрона вокруг одного ядра в атоме не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно, как это описывается четырьмя квантовыми числами . Паули внес значительный вклад в квантовую механику и квантовую теорию поля (он был удостоен Нобелевской премии по физике 1945 года за открытие принципа исключения Паули), а также в физику твердого тела, и он успешно выдвинул гипотезу о существовании нейтрино . В дополнение к своей оригинальной работе он написал мастерские синтезы нескольких областей физической теории, которые считаются классикой научной литературы.

${\ Displaystyle H (t) | \ psi (t) \ rangle = я \ hbar {\ frac {d} {dt}} | \ psi (t) \ rangle}$

Уравнение Шредингера

В 1926 году в возрасте 39 лет австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер опубликовал статьи, заложившие основы квантовой волновой механики. В этих статьях он описал свое уравнение в частных производных, которое является основным уравнением квантовой механики и имеет такое же отношение к механике атома, как уравнения движения Ньютона к планетарной астрономии. Приняв предложение Луи де Бройля в 1924 году о том, что частицы материи имеют двойственную природу и в некоторых ситуациях действуют как волны, Шредингер представил теорию, описывающую поведение такой системы с помощью волнового уравнения, которое теперь известно как уравнение Шредингера.. Решения уравнения Шредингера, в отличие от решений уравнений Ньютона, представляют собой волновые функции, которые могут быть связаны только с вероятным возникновением физических событий. Легко визуализируемая последовательность событий планетарных орбит Ньютона в квантовой механике заменена более абстрактным понятием вероятности . (Этот аспект квантовой теории глубоко огорчил Шредингера и некоторых других физиков, и большую часть своей дальнейшей жизни он посвятил формулированию философских возражений против общепринятой интерпретации теории, для создания которой он так много сделал.)

Немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг был одним из ключевых создателей квантовой механики. В 1925 году Гейзенберг открыл способ сформулировать квантовую механику в терминах матриц. За это открытие он был удостоен Нобелевской премии по физике за 1932 год. В 1927 году он опубликовал свой принцип неопределенности , на котором он построил свою философию и которым он наиболее известен. Гейзенберг смог продемонстрировать, что если вы изучаете электрон в атоме, вы можете сказать, где он находится (местоположение электрона) или куда он движется (скорость электрона), но невозможно выразить и то, и другое одновременно. Он также внес важный вклад в теории гидродинамики в турбулентных течения , атомного ядра,ферромагнетизм , космические лучи и субатомные частицы , и он сыграл важную роль в планировании первого западногерманского ядерного реактора в Карлсруэ вместе с исследовательским реактором в Мюнхене в 1957 году. Его работа по атомным исследованиям во время Второй мировой войны вызывает много споров.

Квантовая химия [ править ]

Некоторые считают, что рождение квантовой химии связано с открытием уравнения Шредингера и его применения к атому водорода в 1926 году. ^{[ Цитата необходима ]} Однако статья Вальтера Хайтлера и Фрица Лондона 1927 года ^[88] часто признается первой вехой в истории человечества. история квантовой химии. Это первое приложение квантовой механики к двухатомной молекуле водорода и, следовательно, к явлению химической связи . В последующие годы большого прогресса добились Эдвард Теллер , Роберт С. Малликен , Макс Борн., Дж. Роберт Оппенгеймер , Линус Полинг , Эрих Хюккель , Дуглас Хартри и Владимир Александрович Фок , и многие другие. ^{[ необходима цитата ]}

Тем не менее, сохранялся скептицизм относительно общей силы квантовой механики, применяемой к сложным химическим системам. ^{[ необходима цитата ]} Ситуацию около 1930 года описывает Поль Дирак : ^[89]

Таким образом, основные физические законы, необходимые для математической теории большей части физики и всей химии, полностью известны, и трудность состоит только в том, что точное применение этих законов приводит к уравнениям, слишком сложным, чтобы их можно было разрешить. Поэтому становится желательным разработать приближенные практические методы применения квантовой механики, которые могли бы привести к объяснению основных характеристик сложных атомных систем без излишних вычислений.

Следовательно, квантово-механические методы, разработанные в 1930-х и 1940-х годах, часто называют теоретической молекулярной или атомной физикой, чтобы подчеркнуть тот факт, что они были скорее приложением квантовой механики к химии и спектроскопии, чем ответами на химически важные вопросы. В 1951 году важной статьей в квантовой химии стала основополагающая статья Клеменса К. Дж. Рутана об уравнениях Рутана . ^[90] Это открыло путь к решению уравнений самосогласованного поля для малых молекул, таких как водород или азот.. Эти вычисления производились с помощью таблиц интегралов, которые вычислялись на самых передовых компьютерах того времени. ^{[ необходима цитата ]}

В 1940-х годах многие физики перешли от молекулярной или атомной физики к ядерной физике (например, Дж. Роберт Оппенгеймер или Эдвард Теллер ). Гленн Т. Сиборг был американским химиком-ядерщиком, наиболее известным своей работой по выделению и идентификации трансурановых элементов (более тяжелых, чем уран ). Он разделил Нобелевскую премию по химии 1951 года с Эдвином Мэттисоном Макмилланом за их независимые открытия трансурановых элементов. Сиборгиум был назван в его честь, что сделало его единственным человеком, наряду с Альбертом Эйнштейном и Юрием Оганесяном., в честь которого при жизни был назван химический элемент.

Молекулярная биология и биохимия [ править ]

К середине 20 века в принципе интеграция физики и химии была обширной, а химические свойства объяснялись электронной структурой атома ; В книге Линуса Полинга « Природа химической связи» принципы квантовой механики используются для вывода валентных углов во все более сложных молекулах. Однако, хотя некоторые принципы, выведенные из квантовой механики, могли качественно предсказывать некоторые химические свойства биологически релевантных молекул, до конца 20 века они были скорее набором правил, наблюдений и рецептов, чем строгими ab initio количественными методами. ^{[ необходима цитата]}

Этот эвристический подход восторжествовал в 1953 году, когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик вывели двойную спиральную структуру ДНК , построив модели, ограниченные и основанные на знании химии составных частей и картинах дифракции рентгеновских лучей , полученных Розалинд Франклин . ^[91] Это открытие привело к взрыву исследований в области биохимии жизни.

В том же году эксперимент Миллера-Юри продемонстрировал, что основные составляющие белка , простые аминокислоты , сами могут быть созданы из более простых молекул в моделировании первичных процессов на Земле. Эта первая попытка химиков изучить гипотетические процессы в лаборатории в контролируемых условиях помогла дать толчок обширным исследованиям в области естественных наук о происхождении жизни .

В 1983 году Кэри Маллис изобрела метод амплификации ДНК in vitro, известный как полимеразная цепная реакция (ПЦР), который произвел революцию в химических процессах, используемых в лаборатории для манипулирования ею. ПЦР можно было использовать для синтеза определенных фрагментов ДНК и сделать возможным секвенирование ДНК организмов, кульминацией которого стал грандиозный проект генома человека .

Важная часть головоломки двойной спирали была решена одним из учеников Полинга Мэтью Мезельсоном и Фрэнком Шталем , результат их сотрудничества ( эксперимент Мезельсона-Шталя ) был назван «самым красивым экспериментом в биологии».

Они использовали метод центрифугирования, который сортирует молекулы по разнице в весе. Поскольку атомы азота являются компонентом ДНК, они были помечены и, следовательно, отслеживались при репликации в бактериях.

Конец 20 века [ править ]

В 1970 году Джон Попл разработал программу Gaussian, значительно упростившую вычисления в вычислительной химии . ^[92] В 1971 году Ив Шовен предложил объяснение механизма реакции метатезиса олефинов . ^[93] В 1975 году Карл Барри Шарплесс и его группа открыли реакции стереоселективного окисления, включая эпоксидирование Шарплесса , ^{[94] [95]} асимметричное дигидроксилирование Шарплесса , ^{[96] [97] [98]} и оксиаминирование Шарплесса . ^{[99][100] [101]} В 1985 году Гарольд Крото , Роберт Керл и Ричард Смолли открыли фуллерены , класс больших молекул углерода, внешне напоминающих геодезический купол, спроектированный архитектором Р. Бакминстером Фуллером . ^[102] В 1991 году Сумио Иидзима использовал электронную микроскопию, чтобы обнаружить тип цилиндрического фуллерена, известный как углеродная нанотрубка , хотя более ранние работы в этой области проводились еще в 1951 году. Этот материал является важным компонентом в области нанотехнологий . ^[103] В 1994 г.KC Nicolaou со своей группой ^{[104] [105]} и Роберт А. Холтон и его группа осуществили первый полный синтез таксола . ^{[106] [107] [108]} В 1995 году Эрик Корнелл и Карл Виман создали первый конденсат Бозе-Эйнштейна , вещество, которое проявляет квантово-механические свойства в макроскопическом масштабе. ^[109]

Математика и химия [ править ]

Классически, до 20 века, химия определялась как наука о природе материи и ее преобразованиях. Таким образом, он явно отличался от физики, которая не занималась столь драматическим преобразованием материи. Более того, в отличие от физики, химия не использовала много математики. Даже некоторые из них особенно неохотно использовали математику в химии. Например, Огюст Конт писал в 1830 году:

Любую попытку использовать математические методы в изучении химических вопросов следует считать глубоко иррациональными и противоречащими духу химии ... если математический анализ когда-либо займет видное место в химии - аберрация, которая, к счастью, почти невозможна - это вызовет быстрое и повсеместное вырождение этой науки.

Однако во второй половине XIX века ситуация изменилась, и Август Кекуле писал в 1867 году:

Я скорее ожидаю, что когда-нибудь мы найдем математико-механическое объяснение того, что мы сейчас называем атомами, которое объяснит их свойства.

Область химии [ править ]

По мере развития понимания природы материи происходило и самопонимание науки химии ее практиками. Этот непрерывный исторический процесс оценки включает в себя категории, термины, цели и объем химии. Кроме того, развитие социальных институтов и сетей, поддерживающих химические исследования, является очень важными факторами, которые позволяют производить, распространять и применять химические знания. (См. Философию химии )

Химическая промышленность [ править ]

В конце девятнадцатого века резко возросла эксплуатация нефти, добываемой из земли, для производства множества химикатов и в значительной степени заменила использование китового жира , каменноугольной смолы и морских запасов, использовавшихся ранее. Крупномасштабное производство и переработка нефти обеспечили сырье для жидкого топлива, такого как бензин и дизельное топливо , растворителей , смазочных материалов , асфальта , парафина , а также для производства многих распространенных в современном мире материалов, таких как синтетические волокна., пластмассы, краски , моющие средства , фармацевтические препараты , клеи и аммиак в качестве удобрений и для других целей. Многие из них требовали новых катализаторов и использования химической технологии для их рентабельного производства.

В середине двадцатого века контроль электронной структуры полупроводниковых материалов стал точным благодаря созданию больших слитков исключительно чистых монокристаллов кремния и германия . Точный контроль их химического состава путем добавления других элементов позволил в 1951 году произвести твердотельный транзистор и сделать возможным производство крошечных интегральных схем для использования в электронных устройствах, особенно в компьютерах .

См. Также [ править ]

Истории и сроки [ править ]

Известные химики [ править ]

перечислены в хронологическом порядке:

Заметки [ править ]

Ссылки [ править ]

• Избранные классические работы по истории химии
• Биографии химиков
• Эрик Р. Скерри, Периодическая таблица: ее история и ее значение, Oxford University Press, 2006.

Дальнейшее чтение [ править ]

• Дженсен, Уильям Б. (2006). «Учебники и будущее истории химии как учебной дисциплины». Вестник истории химии . 3 : 1–8.
• Рэмплинг, Дженнифер М (2017). «Будущее истории химии» . Ambix . 64 (4): 295–300. DOI : 10.1080 / 00026980.2017.1434970 . PMID  29448901 .
• Сервос, Джон В. , Физическая химия от Оствальда до Полинга: создание науки в Америке , Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press, 1990. ISBN 0-691-08566-8 

Документальные фильмы

• BBC (2010). Химия: изменчивая история .

Внешние ссылки [ править ]

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: История химии

Викискладе есть медиафайлы по истории химии .

• ChemisLab - Химики прошлого
• SHAC: Общество истории алхимии и химии