Матеріал з Юнціклопедіі
Провідною ідеєю атомно-молекулярного вчення, що становить фундамент сучасної фізики, хімії та природознавства, є ідея дискретності (переривчастості будови) речовини.
Перші уявлення про те, що речовина складається з окремих неподільних частинок, з'явилися в глибокій старовині і спочатку розроблялися в руслі загальних філософських уявлень про світ. Наприклад, деякі філософські школи Стародавньої Індії (I тис. До н. Е.) Визнавали не тільки існування первинних неподільних частинок речовини (ану), але і їх здатність з'єднуватися один з одним, утворюючи нові частинки. Аналогічні навчання існували і в інших країнах стародавнього світу. Найбільшу популярність і вплив на подальший розвиток науки справила давньогрецька атомистика, творцями якої були Левкіпп (V ст. До н. Е.) І Демокріт (р. Ок. 460 до н. Е. - розум. Ок. 370 до н. Е. ). «Причинами всіх речей, - писав давньогрецький філософ і вчений Аристотель (384-322 до н. Е.), Викладаючи демокрітовское вчення, - є певні відмінності в атомах. А відмінностей цих три: форма, порядок і положення ». У роботах самого Аристотеля зустрічається важливе поняття про міксісе - однорідному з'єднанні, утвореному з різних речовин. Пізніше давньогрецький філософ-матеріаліст Епікур (342-341 до н. Е. - 271-270 до н. Е.) Ввів поняття про масу атомів і їх здатності до мимовільного відхилення під час руху.
Важливо відзначити, що, на думку багатьох давньогрецьких вчених, складне тіло - це не проста суміш атомів, а якісно нове цілісне утворення, наділене новими властивостями. Однак у греків ще не виробилося поняття про особливі «багатоатомних» частинках - молекулах, проміжних між атомами і складними тілами, які були б дрібними носіями властивостей тел.
У середні століття спостерігалося різке ослаблення інтересу до античного атомізму. Церква звинувачувала давньогрецькі філософські вчення в утвердженні того, що світ виник з випадкових поєднань атомів, а не з волі божої, як того вимагала християнська догма.
У XVI-XVII ст. в обстановці загальнокультурного і наукового підйому починається відродження атомізму. У цей період передові вчені різних країн: Г. Галілей (1564-1642) в Італії, П. Гассенді (1592-1655) у Франції, Р. Бойль (1627-1691) в Англії та інші - проголосили принцип: не шукати істину в священному писанні, а «безпосередньо» читати книгу природи
П. Гассенді і Р. Бойлю належить головна заслуга в подальшій розробці античної атомістики. Гассенді ввів поняття про молекулу, під якою він розумів якісно нове утворення, складене шляхом з'єднання декількох атомів. Широку програму створення корпускулярної філософії природи запропонував Р. Бойль. Світ корпускул, їх рух і «сплетіння», на думку англійського вченого, дуже складні. Світ в цілому і його дрібні частки - це доцільно влаштовані механізми. Корпускули Бойля - це вже не первинні недробімості атоми античних філософів, а складне ціле, здатне змінювати свою будову шляхом руху.
«З тих пір, як я прочитав Бойля, - писав М. В. Ломоносов, - мною опанувало пристрасне бажання досліджувати найдрібніші частинки». Великий російський вчений М. В. Ломоносов (1711-1765) розвинув і обґрунтував вчення про матеріальні атомах і корпускула. Він приписував атомам не тільки неподільність, а й активний початок - здатність до руху і взаємодії. «Нечутливі частки повинні відрізнятися масою, фігурою, рухом, силою інерції або розташуванням». Корпускули однорідних тіл, по Ломоносову, «складаються з однакового числа одних і тих же елементів, з'єднаних однаковим чином ... Корпускули різнорідні, коли елементи їх різні або з'єднані різним чином або в різній кількості». Лише тому, що вивчення масових відносин на початку XVIII в. тільки починалося, Ломоносов не зміг створити кількісне атомно-молекулярне вчення.
Це зробив англійський учений Д. Дальтон (1766-1844). Він розглядав атом як найменшу частку хімічного елемента, що відрізняється від атомів інших елементів перш за все масою. Хімічна сполука, за його вченням, являє собою сукупність «складних» (або «складових») атомів, що містять певні, характерні лише для даного складного речовини кількості атомів кожного елемента. Англійський вчений склав першу таблицю атомних мас, але в силу того, що його уявлення про склад молекул часто спиралися на довільні допущення, засновані на принципі «найбільшою простоти» (наприклад, для води він прийняв формулу ОН), ця таблиця виявилася неточною.
Крім того, в першій половині XIX ст. багато хіміки не вірили в можливість визначення дійсних атомних мас і вважали за краще користуватися еквівалентами, які можна було знайти експериментально. Тому одному і тому ж з'єднанню приписувалися різні формули, а це вело до встановлення неправильних атомних і молекулярних мас.
Одними з перших, хто почав боротьбу за реформу теоретичної хімії, були французькі вчені Ш. Жерар (1816-1856) і О. Лоран (1807-1853), які створили правильну систему атомних мас і хімічних формул. У 1856 р російський вчений Д. І. Менделєєв (1834-1907), а потім незалежно від нього італійський хімік С. Канніццаро \u200b\u200b(1826 - 1910) запропонували метод обчислення молекулярної маси з'єднань по подвоєною щільності їх парів щодо водню. До 1860 року цей метод визначився в хімії, що мало вирішальне значення для затвердження атомно-молекулярної теорії. У своєму виступі на Міжнародному конгресі хіміків в Карлсруе (1860) Канниццаро \u200b\u200bпереконливо довів правильність ідей Авогадро, Жерара і Лорана, необхідність їх прийняття для вірного визначення атомних і молекулярних мас і складу хімічних сполук. Завдяки роботам Лорана і Канниццаро \u200b\u200bхіміки усвідомили різницю між тією формою, в якій елемент існує і вступає в реакції (наприклад, для водню це H 2), і тією формою, в якій він присутній в з'єднанні (HCl, H 2 O, NH 3 і т. д.). В результаті конгресом були прийняті наступні визначення атома і молекули: молекула - «кількість тіла, яке набирає реакції і визначальне хімічні властивості»; атом - «найменшу кількість елемента, що входить в частинки (молекули) з'єднань». Було також прийнято пропозицію вважати поняття про «еквіваленті» емпіричним, що не збігається з поняттями «атом» і «молекула».
Встановлені С. Канніццаро \u200b\u200bатомні маси послужили Д. І. Менделєєва основою при відкритті періодичного закону хімічних елементів. Рішення конгресу благотворно вплинули на розвиток органічної хімії, бо встановлення формул сполук відкрило шлях для створення структурної хімії.
Таким чином, до початку 1860-х рр. атомно-молекулярне вчення сформувалося у вигляді наступних положень.
1. Речовини складаються з молекул. Молекулою називається найменша частинка речовини, що володіє його хімічними властивостями. багато фізичні властивості речовини - температури кипіння і плавлення, механічна міцність, твердість і т. д. - обумовлені поведінкою великого числа молекул і дією міжмолекулярних сил.
2. Молекули складаються з атомів, які з'єднуються один з одним в певних відносинах (див. Молекула; Хімічна зв'язок; Стехиометрія).
3. Атоми і молекули перебувають у постійному самовільному русі.
4. Молекули простих речовин складаються з однакових атомів (O 2, O 3, P 4, N 2 і т. Д.); молекули складних речовин - з різних атомів (H 2 O, HCl).
6. Властивості молекул залежать не тільки від їх складу, але і від способу, яким атоми пов'язані один з одним (див. Теорія хімічної будови; Изомерия).
Сучасна наука розвинула класичну атомно-молекулярну теорію, а деякі її положення були переглянуті.
Було встановлено, що атом не є неподільним безструктурним освітою. Про це, втім, здогадувалися і багато вчених в минулому столітті.
З'ясувалося, що далеко не у всіх випадках частки, що утворюють речовину, являють собою молекули. Багато хімічні сполуки, особливо в твердому і рідкому стані, мають іонну структуру, наприклад солі. Деякі речовини, наприклад інертні гази, складаються з окремих атомів, слабо взаємодіючих між собою навіть в рідкому і твердому станах. Крім того, речовина може складатися з частинок, утворених шляхом об'єднання (асоціації) декількох молекул. Так, хімічно чиста вода утворена не тільки окремими молекулами H 2 O, а й полімерними молекулами (H 2 O) n, де n \u003d 2-16; одночасно в ній присутні гідратованих іони H + і OH -. Особливу групу сполук складають колоїдні розчини. І нарешті, при нагріванні до температур порядку тисяч і мільйонів градусів речовина переходить в особливий стан - плазму, Яка представляє собою суміш атомів, позитивних іонів, електронів і атомних ядер.
Виявилося, що кількісний склад молекул при однаковому якісному складі може змінюватися іноді в широких межах (наприклад, оксид азоту може мати формулу N 2 O, NO, N 2 O 3, NO 2, N 2 O 4, N 2 O 5, NO 3 ), при цьому, якщо розглядати не тільки нейтральні молекули, але і молекулярні іони, то межі можливих складів розширюються. Так, молекула NO 4 невідома, але недавно був відкритий іон NO 3 4; не існує молекули CH 5, але відомий катіон CH + 5 і т. д.
Були відкриті так звані з'єднання змінного складу, в яких на одиницю маси даного елемента доводиться різна маса іншого елемента, наприклад: Fe 0,89-0,95 O, TiO 0,7-1,3 і т. Д.
Було уточнено положення про те, що молекули складаються з атомів. Відповідно до сучасних квантово-механічним уявленням (див. Квантова хімія), у атомів в молекулі більш-менш незмінним залишається тільки остов, т. Е. Ядро і внутрішні електронні оболонки, тоді як характер руху зовнішніх (валентних) електронів докорінно змінюється так, що утворюється нова, молекулярна електронна оболонка, що охоплює всю молекулу (див. Хімічний зв'язок). У цьому сенсі ніяких незмінних атомів в молекулах немає.
Беручи до уваги ці уточнення і доповнення, слід мати на увазі, що сучасна наука зберегла раціональне зерно класичного атомно-молекулярного вчення: ідеї про дискретно будову речовини, про здатність атомів давати за допомогою з'єднання один з одним в певному порядку якісно нові і більш складні освіти і про безперервному русі частинок, складових речовина.
хімія
Атомно-молекулярне вчення
Атомно-молекулярне вчення розвинув і вперше застосував в хімії великий російський вчений Ломоносов. Сутність вчення Ломоносова можна звести до наступних положеніям.1. Всі речовини складаються з «корпускул» (так Ломоносов називав молекули) .2. Молекули складаються з «елементів» (так Ломоносов називав атоми) .3. Частинки - молекули й атоми - знаходяться в безперервному русі. Тепловий стан тіл є результат руху їх частинок. 4. Молекули простих речовин складаються з однакових атомів, молекули складних речовин - з різних атомів. Атомистическое вчення в хімії застосував англійський вчений Джон Дальтон. У своїй основі вчення Дальтона повторює вчення Ломоносова. Разом з тим воно розвиває його далі, оскільки Дальтон вперше намагався встановити атомні маси відомих тоді елементів. Однак Дальтон заперечував існування молекул у простих речовин, що в порівнянні з вченням Ломоносова є кроком назад. За Дальтону, прості речовини складаються тільки з атомів, і лише складні речовини - з «складних атомів» (в сучасному розумінні - молекул). Заперечення Дальтоном існування молекул простих речовин заважало подальшому розвитку хімії. Атомно-молекулярне вчення в хімії остаточно утвердилося лише в- середині XIX в.Молекула - це найменша частинка даної речовини, що володіє його хімічними властивостями. Хімічні властивості молекули визначаються її складом і хімічною будовою. Атом - найменша частинка хімічного елемента, що входить до складу молекул простих і складних речовин. Хімічні властивості елемента визначаються будовою його атома. Звідси випливає визначення атома, що відповідає сучасним уявленням: атом - це електронейтральна частинка, що складається з позитивно зарядженого атомного ядра і негативно заряджених електронів. Відповідно до сучасних уявлень з молекул складаються речовини в газоподібному і пароподібному стані. У твердому стані з молекул складаються лише речовини, кристалічна решітка яких має молекулярну структуру. Основні положення атомно-молекулярного вчення можна сформулювати так:- Існують речовини з молекулярною і немолекулярное будовою.
- Між молекулами є проміжки, розміри яких залежать від агрегатного стану речовини і температури. Найбільші відстані є між молекулами газів. Цим пояснюється їх легка стисливість. Найважче стискаються рідини, де проміжки між молекулами значно менше. У твердих речовинах проміжки між молекулами ще менше, тому вони майже не стискаються.
- Молекули знаходяться в безперервному русі. Швидкість руху молекул залежить від температури. З підвищенням температури швидкість руху молекул зростає.
- Між молекулами існують сили взаємного тяжіння і відштовхування. Найбільшою мірою ці сили виражені в твердих речовинах, в найменшій - в газах.
- Молекули складаються з атомів, які, як і молекули, перебувають в безперервному русі.
- Атоми одного виду відрізняються від атомів іншого виду масою і властивостями.
- При фізичних явищах молекули зберігаються, при хімічних, як правило, руйнуються.
- У речовин з молекулярною будовою у твердому стані у вузлах кристалічних решето знаходяться молекули. Зв'язки між молекулами, розташованими у вузлах кристалічної решітки, слабкі і при нагріванні розриваються. Тому речовини з молекулярною будовою, як правило, мають низькі температури плавлення.
- У речовин з немолекулярное будовою в вузлах кристалічних решіток знаходяться атоми або інші частинки. Між цими частками існують сильні хімічні зв'язки, Для руйнування яких потрібно багато енергії. Тому речовини з немолекулярное будовою мають високі температури плавлення.
Ще одним підтвердженням хімічної атомістики слід вважати відкриття французьким хіміком і фізиком Ж.Гей-Люссаком (1778-1850) Закону об'ємних відносин:
"Обсяги газів, що вступили в хімічну реакцію, і обсяги газів, що утворилися в результаті реакції, відносяться між собою як невеликі цілі числа".
Дивно, але факт - проти цього закону активно виступав Д.Дальтон. У 1801 р Д.Дальтону прийшла в голову, як він говорив, "бентежить ідея", що "в рівних обсягах газів при однакових температурі і тиску міститься однакова кількість частинок". Але незабаром він відмовився від цієї ідеї. У 1811 р з'явилася стаття італійця А.Авогадро (1776-1856) "Дослідження методу визначення відносних мас елементарних молекул речовин і встановлення відносин, в яких вони вступають в з'єднання". Під елементарними молекулами А.Авогадро розумів атоми, а під інтегральними молекулами - молекули. У статті написано: "Слід, таким чином, прийняти, що існують досить прості відносини між обсягами газоподібних речовин і числом молекул, які їх утворюють. У зв'язку з цим першою гіпотезою, яка видається єдино прийнятною, служить припущення, що" число інтегральних молекул в будь-яких газах завжди однаково в рівних обсягах ". Трагедія Д.Дальтона і сучасників А.Авогадро полягала в тому, що вони вважали, що всі прості речовини (наприклад кисень, азот, водень, хлор і т.д.) складаються з атомів, а не з молекул, як вважав А.Авогадро. Однак на статтю А.Авогадро не звернули уваги.
Найбільш талановитим послідовником хімічної атомістики Д.Дальтона був шведський учений І.Берцеліусом (1779-1848). Він виконав ретельні кількісні дослідження оксидів, кислот, солей, основ з метою визначення пропорцій, в яких входять в них різні елементи, перевірив і перевірив ще раз відносні атомні ваги хімічних елементів. Головним результатом діяльності Берцелиуса в напрямку розвитку хімічної атомістики можна вважати його таблиці атомних ваг, розраховані на основі досить ретельних хіміко-аналітичних досліджень.
Важливою заслугою Берцелиуса була розробка символів хімічних елементів і правил написання формул хімічних сполук. Надамо слово самому Берцелиусу: "Коли ми намагаємося висловити хімічні пропорції, ми відчуваємо необхідність хімічних символів ... Хімічні символи повинні бути буквами з тим, щоб забезпечити максимальну легкість їх написання і усунути труднощі при друкуванні книг ... Я буду застосовувати для хімічних символів початкові літери латинських назв кожної елементарної субстанції. Але так як назви деяких елементарних субстанцій починаються з одних і тих же букв, я буду розрізняти їх, користуючись такими правилами:
1) У класі, який я називаю металоїди, я буду застосовувати тільки початкову букву ... 2) У класі металів я буду розрізняти символи, в разі, якщо назви починаються з однієї і тієї ж букви як для металів, так і для металлоидов, таким чином, що буду писати перші дві букви назви металу. 3) Якщо перші дві букви є загальними для двох металів, я буду додавати до початкової букві перший консонант (співзвучну букву) ... Наприклад: S - сірка, Si - кремній, Sb - сурма, Sn - олово, C - вуглець, Co - кобольт, Cu - мідь, O - кисень, Os - осьмій ".
Велику допомогу хімікам в знаходженні відносних атомних ваг хімічних елементів - металів - зробило відкриття в 1819 р французькими фізиками П.Дюлонгом і А.Пті закону, за яким добуток питомої теплоємності металів на їх атомна вага є величиною постійною, що дорівнює 6 кал.
Для того щоб хіміки домовилися про основні поняття, провідними вченими-хіміками в 1860 р в Карлсруе (Німеччина) був скликаний Міжнародний хімічний конгрес. На конгресі були присутні сім російських хіміків (серед них Н.Н.Зінін і Д. І. Менделєєв). Основним доповідачем був італійський вчений С.Канніццаро \u200b\u200b(1826-1910). У 1858 р він написав невелику книгу "Конспект курсу хімічної філософії", в якій відродив вчення А.Авогадро, привернув до обгрунтування і знаходженню кількісних співвідношень між атомами хімічних елементів в молекулах Закон об'ємних відносин Гей-Люссака, усунув істотний недолік хімічної атомістики Д. Дальтона, який заперечував, що прості речовини - водень, азот, хлор, кисень - складаються з молекул (H2, N2, Cl2, O2), а виходячи з принципу "максимальної простоти", вважав, що вони побудовані з атомів H, N, Cl, O. Доповідь С.Канніццаро \u200b\u200bі його книга змогли переконати Міжнародний конгрес. Отже, основні положення атомно-молекулярного вчення можна викласти так.
Починаючи з XVII століття, в науці існувало молекулярне вчення, яке використовувалося для пояснення фізичних явищ. Практичне застосування молекулярної теорії в хімії було обмежено тим, що її положення не могли пояснити сутність протікання хімічних реакцій, відповісти на питання, як з одних речовин в ході хімічного процесу утворюються нові.
Вирішення цього питання виявилося можливим на основі атомно-молекулярного вчення. У 1741 р в книзі «Елементи математичної хімії»Михайло Васильович Ломоносовфактично сформулював основи атомно-молекулярного вчення. Російський учений-енциклопедист розглядав будову речовини не як певну комбінацію атомів, але як поєднання більш великих часток -корпускул , Які, в свою чергу, складаються з більш дрібних частинок -елементів.
Термінологія Ломоносова згодом зазнала змін: то, що він називав корпускулами, стали називати молекулами, а на зміну терміну елемент прийшов термін атом. Однак суть висловлених ним ідей і визначень блискуче витримала випробування часом.
§2. Історія розвитку атомно-молекулярного вчення
Історія розвитку та утвердження в науці атомно-молекулярного вчення виявилася дуже непростою. Робота з об'єктами мікросвіту викликала величезні труднощі: атоми і молекули було неможливо побачити і, таким чином, переконатися в їх існуванні, а спроби вимірювання атомних мас нерідко закінчувалися отриманням помилкових результатів. Через 67 років після відкриття Ломоносова, в 1808 році, відомий англійський ученийДжон Дальтон висунув атомну гіпотезу. Відповідно до неї, атоми являють собою дрібні частинки речовини, які неможливо розділити на складові частини або перетворити один в одного. За Дальтону, всі атоми одного елемента мають абсолютно однакову вагу і відрізняються від атомів інших елементів. Поєднавши вчення про атомах з вченням про хімічні елементи, Розробленим Робертом Бойл і Михайлом Васильовичем Ломоносовим, Дальтон забезпечив міцний фундамент для подальших теоретичних досліджень в хімії. На жаль, Дальтон заперечував існування молекул у простих речовин. Він вважав, що з молекул складаються тільки складні речовини. Це не сприяло подальшому розвитку і застосування атомно-молекулярного вчення.
Умови для поширення ідей атомно-молекулярного вчення в природознавстві склалися лише в другій половині XIX століття. У 1860 році на Міжнародному з'їзді натуралістів в німецькому місті Карлсруе були прийняті наукові визначення атома і молекули. Вчення про будову речовин тоді ще не було, тому було прийнято положення про те, що всі речовини складаються з молекул. Вважалося, що прості речовини, наприклад метали, складаються з одноатомних молекул. Згодом таке суцільне поширення принципу молекулярного будови на все речовини виявилося помилковим.
§3. Основні положення атомно-молекулярного вчення
Основний змістатомно-молекулярного вченняможна представити наступними положеннями.
1. Молекула - найменша частина речовини, яка зберігає його склад і найважливіші властивості.
2. Молекули складаються з атомів. Атоми одного елемента подібні між собою, але відрізняються від атомів інших хімічних елементів.
3. Атоми і молекули перебувають у безперервному русі.
4. При фізичних явищах молекули зберігаються, а при хімічних - руйнуються.
5. Атоми в хімічних реакціях не руйнуються. Нові речовини утворюються в процесі хімічних реакцій з тих атомів, з яких складалися вихідні речовини.
§4. Короткі підсумки по темі уроку
Поширення атомно-молекулярного вчення сприяло утвердженню визначень найважливіших хімічних понять, формуванню і розвитку єдиного хімічного мови, поясненню відкритих законів і розвитку подальших теоретичних досліджень.
література:
Н.Є. Кузнєцова. Хімія. 8 клас. Підручник для загальноосвітніх установ. - М. Вентана-Граф, 2012.
Для візуального оформлення використовувалися джерела:
https: // www. google. ru / url? sa \u003d i & rct \u003d j & q \u003d & esrc \u003d s & source \u003d images & cd \u003d & cad \u003d rja & uact \u003d 8 & ved \u003d 0 CAcQjRw & url \u003d http% 3 A% 2 F% 2 F 900 igr. net% 2 Fkartinki% 2 Ffizika% 2 FMozaika - Lomonosov