khimie.ru

Уже на ранней стадии изучения веществ и их превращений большую роль играли физические приборы и физические приемы исследования. В ряде случаев метод и прибор, с помощью которого проводилось исследование, вызывали к жизни новые направления науки. Такими приборами, в частности, были: весы, ареометр, термометр и калориметр.

Эти приборы позволили приступить к систематическому изучению физических свойств веществ и изменения этих свойств в зависимости от состава соединения и характера его превращения в химических реакциях.

Они оказались необходимыми для определения удельного веса веществ, теплоемкости, точек кипения, плавления, замерзания, а также изучения изменений физических свойств веществ, происходящих при химических превращениях. Накопленные данные послужили основой для создания научной химии, ибо только после того как «число, мера и вес проникают постепенно в химическую область, химия − искусство постепенно преобразуется в химию − науку».

Ученые XVII в. уже достаточно широко применяли весы для измерения веса исходных и полученных веществ в различных химических реакциях. При этом постулат сохранения массы (веса) практически лежит в основе всех количественных работ. Р. Бойль с 1661 г. принимает этот постулат в своих исследованиях, посвященных определению различных физических постоянных веществ, в особенности удельных весов металлов, солей, кислот.

С начала XVIII в. ньютоновское определение массы как мерила количества вещества постепенно проникает в химию.

Не удивительно, что в те времена «закон сохранения вещества» воспринимался как общая и очевидная истина. М. В. Ломоносов в письме к Л. Эйлеру от 5 июля 1748 г. писал: «Все изменения, случающиеся в природе, происходят так, что если что-либо прибавится к чему-либо, то столько же отнимается от чего-то другого.

Так, сколько к какому-нибудь телу присоединяется материи, столько же отнимается от другого… Так как этот закон природы всеобщ, то он простирается даже в правила движения, и тело, побуждающее своим толчком другое к движению, столько же теряет своего движения, сколько сообщает другому, движимому им».

То, что во время химической реакции, ничто не творится и ничто не теряется, хорошо знал К. Венцель (1777 г.). Более того, он считал, что этот закон является основой для проверки химического исследования, «стоит только исследовать вновь полученные продукты, и если в них прежде употребленные материалы находятся в тех же количествах − разложение верно, если не так, то не верно». Эти рассуждения привели Венцеля к созданию первых основ химической статики.

В 1789 г А. Л. Лавуазье высказывает положение: «Так как ничто не создается ни при искусственном превращении, ни при природных процессах, то можно принять за принцип, что при каждой операции, до и после нее, имеются равные количества вещества; что качество и количество начал − одинаково и что существуют только изменения и модификации».

Весы, таким образом, способствовали созданию количественной химии, особенно когда исследования химического состава веществ приняли новую форму благодаря появлению атомистической теории Д. Дальтона (1803 г.) и благодаря точному экспериментальному обоснованию законов постоянных и кратных отношений, сделанному Я. Берцелиусом (с 1811 г.).

Постулаты − сохранения химического вида, неразрушимости вещества и сохранения веса − стали основными эмпирическими законами химии конца XVIII в.

Все увеличивающийся теоретический интерес к различным объектам исследования с неизбежностью включил в область физико-химических работ изучение растворов. Здесь первостепенное значение приобрели ареометр и термометр.

Ареометр был изобретен в III или IV столетии; им пользовались как удобным и точным прибором для измерений удельного веса жидкостей.

Термометр (точнее термоскоп), изобретенный Галилеем (1592 г.), постепенно стал необходимым «инструментом» химика и физика.

С помощью термометра были в XVIII в. сделаны первые термохимические измерения; ученые научились определять точки замерзания и кипения, теплоты растворения и смешения, наконец, теплоту, выделяющуюся при различных химических реакциях.

Применение термометра привело Д. Блэка (1757 г.) к установлению положения о термическом равновесии. Блек ввел в науку такое важное понятие, как скрытая теплота плавления и испарения. Установление им понятия теплоемкости устранило серьезную путаницу в смешении понятий температуры и теплоты, имевшую место в литературе по физике и химии в XVII и первой половине XVIII в.

В 1772 г. шведский физик Вильке с помощью термометра измерял расход теплоты при изменении агрегатного состояния вещества.

Широкое применение физические приборы нашли в физико-химических исследованиях М. В. Ломоносова.

Ломоносов сознавал, что методы, применявшиеся тогда в химии, не могли уже решать стоящие перед ней задачи. Это побудило его искать новые пути исследования химических явлений. Идея Ломоносова состояла в том, чтобы, применив в химических исследованиях физические методы, найти новые пути изучения и объяснения природы многочисленных химических явлений; создать теорию, вскрывающую их сущность, и в конечном счете более глубоко исследовать строение материи.

«Соединив физические истины с химическими, − писал он, − успешнее познать сокрытую природу тел… кто хочет проникнуть в исследование химических истин, тот должен необходимо изучать механику… так как знание механики предполагает знание математики, то стремящийся к ближайшему изучению химии должен хорошо знать математику… химик без знания физики подобен человеку, который всего искать должен ощупом. И сии две науки так соединены между собою, что одна без другой в совершенстве быть не могут… химия руками, математика очами физическими по справедливости назваться может». По твердому убеждению Ломоносова, химия и физика будут развиваться более успешно в результате «взаимной помощи».

В таком стремлении математизировать химию и вооружить ее физическими методами исследования Ломоносов не имеет предшественников. Только в конце XVIII в., в систематических количественных исследованиях (особенно после работ Лавуазье и Рихтера) наблюдается постепенное проникновение в химию математических расчетов, которые затем прочно внедряются лишь с 80-х годов XIX в. В 1752-1756 гг. Ломоносов составил обширную программу физико-химических исследований. Центральное место программы занимали растворы и соли. Предусматривалось изучить понижение температуры воды при растворении в ней солей; растворимость солей в воде, «лишенной воздуха и с воздухом»; изучить поднятие растворов в капиллярных трубках; «электрическую силу», влияющую на растворение; поведение растворов солей в автоклаве; кристаллы солей, осадки после осаждения и т. п.

Необходимость взаимной связи физики и химии с особой убедительностью доказывалась Ломоносовым в его лекциях 1752-1753 гг. («Курс истинной физической химии»).

Приведем выдержку из «Программы физической химии» Ломоносова: «1. О физической химии и ее назначении. 2. О частичных свойствах составного тела. 3. О химических средствах, которыми изменяются составные тела. 4. О приемах, коими изменяются составные тела… О методе физической химии. Об употреблении физических опытов и инструментов…».

В отчете за 1752 г. Ломоносов отмечал: «читал я студентам лекции экспериментальной химии, для того сочинял собственную физическую химию на латинском…, показывая опыты химические и употребляя при том физические эксперименты».

Курс физической химии Ломоносова состоял из трех разделов:

1)     введения, содержание которого было им изложено в главе «Введение в истинную физическую химию». Эта глава явилась первой частью составлявшегося Ломоносовым учебного пособия по физической химии;

2)     опытной части, материал которой частично изложен в сохранившейся главе: «Опыты физической химии, часть первая, эмпирическая»;

3)     теоретическая часть, которая, по-видимому, Ломоносовым не была прочитана.

Подготавливая курс физической химии, Ломоносов изучил большую литературу. Он разработал новую методику преподавания, которая предусматривала не только демонстрацию опытов при чтении лекций, но и проведение практических занятий со студентами. Кроме того, студенты проводили в лаборатории (открытой в 1748 г.) некоторые научные эксперименты.

Идеи и физико-химическая программа исследований Ломоносова − это блестящий прорыв в будущее физической химии. С удивительной прозорливостью Ломоносов увидел в физико-химии наиболее плодотворный и многообещающий путь развития химии.

Но химия и физика XVIII в. не располагали ни теоретическими, ни экспериментальными данными, на основе которых физическая химия могла бы существовать как самостоятельная наука. Однако в отличие от предшествующего столетия, XVIII век характеризуется заметным прогрессом в использовании человеком природных сил. Если в XVII в. физические науки развивались преимущественно в связи с астрономическими проблемами, то в XVIII в. их развитие получило более сильные импульсы от химии. Благодаря колоссальному росту потребления металла, переходу от древесного топлива к каменноугольному, созданию паровых машин центр внимания химиков и физиков со второй половины XVIII в., сосредоточился на проблемах горения и изучении природы теплоты.

Естественно, что в круг исследователей химических проблем были вовлечены и физики.

Чтобы знать, почему и как протекают химические процессы, в частности окислительно-восстановительные реакции, необходимы не только химические, но физические и физико-химические знания и приборы. В работах А. Лавуазье можно найти много указаний на значение физических приборов и методов для химических исследований.

«Неизбежный эффект того совершенства, к которому начинает приближаться химия, − отмечал он, − требует сложных и дорогих инструментов и аппаратов».

В третьей части своего знаменитого «Начального курса химии» (1789) Лавуазье дал подробное описание техники эксперимента и различных приборов (весов, калориметра и др.). Лавуазье произвел точные измерения плотности жидкостей, позволившие установить содержание в них различных примесей. Он убедительно доказал, что точное определение удельного веса исходных и конечных продуктов реакции − это важный путь физического исследования химических процессов. Лавуазье значительно увеличил точность взвешивания, создав весы и ареометры новой конструкции. Усовершенствование техники физико-химического эксперимента позволило ему выявить новые явления и критически проверить соответствующие теории.

В 1777 г. А. Вольта изобрел эвдиометр, ставший необходимым физическим прибором для измерения объемов газа.

В руках Пристли, Кавендиша, Гей-Люссака, Бертолле и других ученых эвдиометр Вольта стал важным прибором для измерения объемных отношений реагирующих газов.

Результаты этих измерении, как известно, имели впоследствии большое значение для подтверждения молекулярной теории Авогадро.

Таким образом, своим возникновением физическая химия во многом обязана проникновению физических методов в химию. Новый подход к изучению химических процессов позволил сформулировать новые понятия и теоретические обобщения, которые были значительно глубже, нежели чисто описательные, качественные характеристики химических явлений. Учеными была в значительной степени осознана мысль, что теоретическая химия может развиваться лишь в тесной связи с развитием теоретических физических знаний. С этой точки зрения вполне понятен невысокий уровень теоретической химии XVIII в., которую физика еще очень слабо обогащала своими знаниями. Понятно и то, что теоретическому исследованию в то время подвергались главным образом вопросы, более или менее независимые от физики. Ситуация заметно изменилась в начале XIX столетия, когда сложились благоприятные обстоятельства для развития физико-химических исследований.