WikiDer > История химии

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

В история химии представляет промежуток времени от древняя история в настоящее время. К 1000 году до нашей эры цивилизации использовали технологии, которые в конечном итоге легли в основу различных отраслей химии. Примеры включают обнаружение огня, извлечение металлы из руды, изготовление керамика и глазури, ферментирующие пиво и вино, извлечение химикатов из растений для лекарство и духи, превращая жир в мыло, изготовление стекло, и делая сплавы подобно бронза.

Протонаука химии, алхимия, не удалось объяснить природу материи и ее превращения. Однако, проводя эксперименты и записывая результаты, алхимики заложили основу современной химии. Различие стало проявляться, когда было проведено четкое различие между химией и алхимией. Роберт Бойл в его работе Скептический химик (1661). Хотя оба алхимия и химия связаны с материей и ее преобразованиями, химики рассматриваются как применяющие научный метод к их работе.

История химии переплетается с история термодинамики, особенно благодаря работе Уиллард Гиббс.^[1]

Древняя история

Ранние люди

100000-летний охрацех обработки был найден по адресу Пещера Бломбос в Южная Африка. 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

Самый ранний зарегистрированный металл, используемый людьми, кажется золото, которые можно найти как бесплатные, так и «родные». Небольшие количества природного золота были обнаружены в испанских пещерах, использовавшихся в конце Палеолит период, около 40 000 лет до нашей эры.^[4]

Серебро, медь, банка и метеоритное железо также могут быть найдены родными, что позволяет ограниченное количество металлообработка в древних культурах.^[5] Египетское оружие, изготовленное из метеоритного железа примерно в 3000 г. до н.э., высоко ценилось как «кинжалы с небес».^[6]

Возможно, первая управляемая химическая реакция была 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 пожар привел к открытию стекло и очищение металлов; за этим последовал рост металлургия.^[7] На ранних этапах металлургии искали методы очистки металлов, а золото, известное в древний Египет еще в 2900 году до нашей эры стал драгоценным металлом.

Бронзовый век

Некоторые металлы можно извлечь из руд, просто нагревая камни в огне: в частности, банка, вести 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 Plocnik, все три в Сербия. На сегодняшний день самая ранняя медная плавка находится на Беловодском городище;^[8] эти примеры включают медный топор 5500 г. до н.э., принадлежащий Винча культура.^[9] Другие признаки ранних металлов обнаруживаются в третьем тысячелетии до нашей эры в таких местах, как Палмела (Португалия), Los Millares (Испания) и Стоунхендж (Объединенное Королевство). Однако, как это часто бывает при изучении доисторический время от времени конечные начала не могут быть четко определены, и новые открытия продолжаются.

Горнодобывающие районы древнего Ближнего Востока. Цвета коробок: мышьяк в коричневом цвете, медь в красном, банка серым, железом красновато-коричневым, золотым желтым, серебристым и белым. вести В черном. Желтая область обозначает мышьяковая бронза, а серая область означает олово бронза.

Эти первые металлы были отдельными элементами или комбинациями, как это происходило естественно. Комбинируя медь и олово, можно получить превосходный металл, сплав называется бронза. Это был крупный технологический сдвиг, положивший начало Бронзовый век около 3500 г. до н.э. Бронзовый век был периодом культурного развития человека, когда наиболее передовая обработка металлов (по крайней мере, в систематическом и широкомасштабном использовании) включала в себя методы плавки. медь и банка из естественных обнажений медных руд, с последующей плавкой 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 западная азия до 3000 г. до н.э.

После бронзового века история металлургии была отмечена армиями, которые искали лучшее оружие. Государства в Евразия процветали, когда они делали лучшие сплавы, которые, в свою очередь, делали лучшую броню и лучшее оружие.^{[нужна цитата]} Значительный прогресс в металлургии и алхимии был достигнут в древняя Индия.^[10]

Железный век

Добыча утюг превратить ее в обрабатываемый металл намного труднее, чем медь или олово. Хотя железо не лучше подходит для инструментов, чем бронза (пока стали был обнаружен), железная руда гораздо более распространена и распространена, чем медь или олово, и поэтому чаще доступна на местном уровне, без необходимости торговать ею.

Обработка железа, кажется, была изобретена Хеттов около 1200 г. до н.э., начиная с Железный век. Секрет извлечения и обработки железа был ключевым фактором успеха Филистимляне.^[6][11]

Железный век относится к появлению обработки железа (черная металлургия). Исторические достижения в черной металлургии можно найти в самых разных культурах и цивилизациях прошлого. К ним относятся древние и средневековые королевства и империи Ближнего и Среднего Востока, древний Иран, древний Египет, древний Нубия, и Анатолия (Индюк), Древний Нок, Карфаген, то Греки и Римляне древней Европы, средневековой Европы, древнего и средневекового Китая, древней и средневековой Индии, древней и средневековой Японии и др. Многие приложения, методы и устройства, связанные с металлургией или связанные с ней, были созданы в древнем Китае, такие как инновации доменная печь, чугун, гидравлический-приведенный молотки, и поршень двустороннего действия мехи.^[12][13]

Классическая древность и атомизм

Демокрит, Греческий философ атомистической школы.

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. перемены 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 выделить небольшое количество первичных классические элементы 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 небеса, были обычным явлением в древних цивилизациях даже в отсутствие какого-либо перекрестного оплодотворения: например, древнегреческая, индийская, майяская и китайская философии считались воздуха, воды, земной шар и Огонь как первичные элементы.^{[нужна цитата]}

Древний мир

Около 420 г. до н.э., Эмпедокл заявил, что все дело состоит из четыре элементарных вещества: земля, огонь, воздух и вода. Ранняя теория атомизм можно проследить до древняя Греция и древняя Индия.^[14] Греческий атомизм восходит к греческому философу Демокрит, 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 Индийский философ Канаде в его Вайшешика сутры примерно в тот же период времени.^[14] Во многом таким же образом он обсуждал существование газы. То, что Канада провозгласил сутрой, Демокрит провозгласил философскими размышлениями. Оба страдали от недостатка эмпирический данные. Без научных доказательств существование атомов было легко отрицать. Аристотель выступал против существования атомов в 330 г. до н. э. Ранее, в 380 г. до н.э., греческий текст, приписываемый Полибус утверждал, что человеческое тело состоит из четырех юмор. Около 300 г. до н.э., Эпикур постулировал вселенную неразрушимых атомов, в которой сам человек ответственен за достижение сбалансированной жизни.

С целью объяснения Эпикурейская философия римской аудитории Римский поэт и философ Лукреций^[15] написал De rerum natura (Природа вещей)^[16] в 50 г. до н. э. В произведении Лукреций излагает принципы атомизм; характер разум и душа; объяснения ощущение и думал; развитие мира и его явлений; и объясняет множество небесный и земной явления.

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

Средневековая алхимия

Джабир ибн Хайян (Гебер), 9 век Персидско-арабский алхимик экспериментальные исследования которого заложили основы химии.

Алхимическая эмблема семнадцатого века, показывающая четыре классических элемента в углах изображения, рядом с tria prima в центральном треугольнике.

Элементная система, используемая в средневековье алхимия был разработан в первую очередь Персидский-Араб алхимик Джабир ибн Хайян и был основан на классических элементах греческой традиции.^[17] Его система состояла из четырех аристотелевских элементов воздуха, земли, огня и воды в дополнение к двум философским элементам: сера, характеризующий принцип горючести, «камень, который горит»; и Меркурий, характеризующий принцип металлических свойств. Ранние алхимики рассматривали их как идеализированные выражения несводимых компонентов вселенная^[18] и имеют большее значение^{[требуется разъяснение]} в философской алхимии.

Три металлических принципа (сера - для воспламеняемости или горения, ртуть - для летучести и стабильности, и поваренная соль к солидности) стал триа прима швейцарского алхимика Парацельс. Он рассуждал, что теория четырех элементов Аристотеля проявляется в телах как трех принципах. 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 распадалась. Дым характеризовал летучесть (ртутный принцип), выделяющее тепло пламя характеризовало воспламеняемость (сера), а остатки золы характеризовали твердость (соль).^[19]

Философский камень

"Алхимик" сэра Уильяма Дугласа, 1855 г.

Алхимия определяется Герметичный поиски философский камень, изучение которого пропитано символическим мистицизмом и сильно отличается от современной науки. Алхимики трудились над преобразованием эзотерический (духовный) и / или экзотерический (практический) уровень.^[20] Это было протонаучный, экзотерические аспекты алхимии, которые внесли большой вклад в развитие химии в Греко-римский Египет, в Исламский золотой век, а затем в Европе. Алхимия и химия разделяют интерес к составу и свойствам материи, и до 18 века они не были отдельными дисциплинами. Период, термин химия был использован для описания смеси алхимии и химии, существовавшей до того времени.^[21]

Первые западные алхимики, жившие в первые века нашей эры, изобрели химический аппарат. В водяная баня, или водяная баня, названа в честь Мария еврейка. Ее работа также дает первые описания трибикос и Kerotakis.^[22] Клеопатра Алхимик описал печи и ему приписывают изобретение перегонный куб.^[23] Позже экспериментальная основа, установленная Джабир ибн Хайян оказали влияние на алхимиков, поскольку дисциплина мигрировала через Исламский мир, затем в Европу в 12 веке нашей эры.

В эпоху Возрождения экзотерическая алхимия оставалась популярной в форме Парацельсов ятрохимия, пока процветала духовная алхимия, Платонический, Герметик и Гностик корни. Следовательно, символический поиск философского камня не был вытеснен научными достижениями и до начала 18 века оставался прерогативой уважаемых ученых и врачей. Алхимики раннего Нового времени, известные своим научным вкладом, включают: Ян Баптист ван Гельмонт, Роберт Бойл, и Исаак Ньютон.

Алхимия в исламском мире

в Исламский мир, то Мусульмане переводили произведения древних Греки и Египтяне на арабский и экспериментировали с научными идеями.^[24] Развитие современного научный метод был медленным и трудным, но ранний научный метод химии начал появляться среди первых мусульманских химиков, начиная с химика 9-го века. Джабир ибн Хайян (известный в Европе как «Гебер»), которого иногда называют «отцом химии».^{[25][26][27][28]} Он ввел систематический и экспериментальный подход к научным исследованиям, основанный на лаборатория, в отличие от древнегреческих и египетских алхимиков, чьи работы были в основном аллегорическими и часто непонятными.^[29] Он также изобрел и назвал перегонный куб (аль-анбик), химически проанализированы многие химические субстанции, в составе гранильные, различать между щелочи и кислоты, и произвел сотни наркотики.^[30] Он также усовершенствовал теорию пяти классические элементы в теорию семи алхимические элементы после определения Меркурий и сера так как химические элементы.^{[31][требуется проверка]}

Среди других влиятельных мусульманских химиков Абу аль-Райхан аль-Бируни,^[32] Авиценна^[33] и Аль-Кинди опровергал теории алхимии, в частности теорию трансмутация металлов; и ат-Туси описал версию сохранение массы, отмечая, что тело иметь значение может измениться, но не может исчезнуть.^[34] Разес опровергнутый Аристотельтеория четырех классические элементы впервые и заложил прочный фундамент современной химии, используя лабораторию в современном понимании, спроектировав и описав более двадцати инструментов, многие части которых используются до сих пор, например, тигель, тыквенный или возразить для дистилляции, и головка куба с подающей трубкой (ambiq, лат. alembic), и различные типы топок или печей.^{[нужна цитата]}

Проблемы с алхимией

С сегодняшней точки зрения у алхимии было несколько проблем. 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 История химии Fontana (Брок, 1992):

Вскоре язык алхимии разработал загадочный и секретный технический словарь, предназначенный для сокрытия информации от непосвященных. В значительной степени этот язык нам сегодня непонятен, хотя очевидно, что читатели Джеффери Чосерс Сказка каноника о йомене или аудитории Бен Джонсонс Алхимик были способны истолковать это достаточно, чтобы посмеяться над этим.^[35]

Рассказ Чосера раскрыл более мошенническую сторону алхимии, особенно производство поддельного золота из дешевых веществ. Менее века назад Данте Алигьери также продемонстрировал осознание этого мошенничества, заставив его отправить всех алхимиков в Inferno в его трудах. Вскоре после этого, в 1317 г. Авиньон Папа Иоанн XXII приказал всем алхимикам покинуть Францию ​​за изготовление фальшивых денег. В 1403 г. 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 все еще стремились открыть для себя философский камень и эликсир жизни.^[36]

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. Уже в 14 веке на фасаде алхимии, казалось, росли трещины; и люди стали скептически настроены.^{[нужна цитата]} Ясно, что необходим 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

Агрикола, автор De re Metallica

Мастерская, от De re Metallica, 1556, Фонд химического наследия

Практические попытки улучшить очистку руд и их извлечение для плавки металлов были важным источником информации для первых химиков 16 века, в том числе Георг Агрикола (1494–1555), опубликовавший свой великий труд De re Metallica в 1556 году. Его 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. В работе описываются многие виды печей, используемых для плавки руды, и пробуждается 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».^[37]

В 1605 г. Сэр Фрэнсис Бэкон опубликовано Профессионализм и продвижение обучения, который содержит описание того, что позже будет известно как научный метод.^[38] В 1605 г. Михал Седзивой издает алхимический трактат Новый свет алхимии который предполагал существование в воздухе «пищи жизни», которая позже была признана кислородом. В 1615 г. Жан Беген опубликовал Tyrocinium Chymicum, ранний учебник химии, и в нем нарисованы первые в истории химическое уравнение.^[39] В 1637 г. Рене Декарт издает Discours de la méthode, который содержит описание научного метода.

Голландский химик Ян Баптист ван Гельмонтработа Ortus medicinae был опубликован посмертно в 1648 г .; Некоторые цитируют эту книгу как важную работу, переходящую от алхимии к химии, и как важное влияние на Роберт Бойл. Книга содержит результаты многочисленных экспериментов и устанавливает раннюю версию закон сохранения массы. Работа в течение времени сразу после Парацельс и ятрохимияЯн 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 словарный запас ученых ван Гельмонт провел несколько экспериментов с газами. Яна Баптиста ван Гельмонта сегодня также помнят в основном за его идеи о самозарождение и его 5-летний эксперимент с деревом, а также считаться основателем пневматическая химия.

Роберт Бойл

Роберт Бойл, один из соучредителей современной химии благодаря правильному экспериментированию, которое еще больше отделило химию от алхимии.

Титульная страница из Скептический химист, 1661, Фонд химического наследия

Англо-ирландский химик Роберт Бойл (1627–1691) считается усовершенствовавшим современный научный метод алхимии и отделившим химию от алхимии.^[40] Хотя его исследования явно уходят корнями в алхимический традиции, Бойль сегодня в значительной степени считается первым современным химиком и, следовательно, одним из основоположников современной химии. химия, и один из пионеров современной экспериментальной научный метод. Хотя Бойль не был первым первооткрывателем, он наиболее известен благодаря Закон Бойля, который он представил в 1662 году:^[41] закон описывает обратно пропорциональную зависимость между абсолютными давление и объем газа, если температура поддерживается постоянной в пределах закрытая система.^[42][43]

Бойлю также приписывают его знаменательную публикацию Скептический химик в 1661 году, который считается краеугольным камнем в области химии. В работе Бойль представляет свою гипотезу о том, что каждое явление было результатом столкновений движущихся частиц. Бойль призвал химиков поэкспериментировать и утверждал, что эксперименты отрицали ограничение химических элементов только четырьмя классическими элементами: землей, огнем, воздухом и водой. Он также призывал к тому, что химия перестает подчиняться лекарство или к алхимии и подняться 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 идей атомы, 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 Декарт для объяснения и количественной оценки физических свойств и взаимодействий материальных веществ. Бойль был атомщиком, но предпочел слово тельце над атомы. Он заметил, что тончайшее деление материи, в котором сохраняются свойства, находится на уровне корпускул. Он также провел множество расследований с воздушный насос, и отметил, что Меркурий упал при откачке воздуха. Он также заметил, что откачка воздуха из контейнера может погасить пламя и убить мелких животных, помещенных внутри. Бойль помог заложить основы Химическая революция с его механический корпускулярная философия.^[44] Бойль повторил эксперимент ван Гельмонта с деревом и первым применил индикаторы который изменил цвета с кислотностью.

Разработка и демонтаж флогистона

Джозеф Пристли, один из первооткрывателей элемента кислород, который он назвал «дефлогистированным воздухом».

В 1702 году немецкий химик Георг Шталь придумал название "флогистон"для вещества, которое, как считается, высвободилось в процессе горения. Около 1735 г. шведский химик Георг Брандт проанализировал темно-синий пигмент, обнаруженный в медной руде. Брандт продемонстрировал, что пигмент содержит новый элемент, позже названный кобальт. В 1751 году шведский химик и ученик Шталя назвал Аксель Фредрик Кронштедт, идентифицировал примесь в медной руде как отдельный металлический элемент, который он назвал никель. Кронштедт - один из основоположников современного минералогия.^[45] Кронштедт также открыл минерал шеелит в 1751 году, который он назвал вольфрамом, что по-шведски означает «тяжелый камень».

В 1754 году шотландский химик Джозеф Блэк изолированные углекислый газ, который он назвал «фиксированным воздухом».^[46] В 1757 г. Луи Клод Кадет де Гассикур, исследуя соединения мышьяка, создает Дымящаяся жидкость кадета, позже выяснилось, что это какодил оксид, считается первым синтетическим металлоорганический соединение.^[47] В 1758 году Джозеф Блэк сформулировал концепцию скрытая теплота объяснить термохимия из фазовые изменения.^[48] В 1766 г. английский химик Генри Кавендиш изолированные 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 известном как кислород). последний компонент атмосферного воздуха (теория флогистона).

В 1773 г. шведский химик Карл Вильгельм Шееле обнаруженный кислород, который он назвал «огненным воздухом», но не сразу опубликовал свое достижение.^[49] В 1774 г. английский химик Джозеф Пристли независимо выделил кислород в газообразном состоянии, назвав его «дефлогистированным воздухом», и опубликовал свою работу до Шееле.^[50][51] При жизни значительная научная репутация Пристли основывалась на его изобретении содовая, его сочинения о электричествои его открытие нескольких «газов», самый известный из которых Пристли назвал «дефлогистированным воздухом» (кислородом). Однако решимость Пристли защищать теорию флогистона и отвергать то, что стало химическая революция в конечном итоге оставил его изолированным в научном сообществе.

В 1781 году Карл Вильгельм Шееле обнаружил, что новый кислота, вольфрамовая кислота, мог быть сделан из шеелита Кронштедта (в то время называвшегося вольфрамом). Шееле и Торберн Бергман предположил, что можно получить новый металл, восстановив эту кислоту.^[52] В 1783 г. Хосе и Фаусто Эльхуяр нашел кислоту, сделанную из вольфрамит это было идентично вольфрамовой кислоте. Позже в том же году в Испании братьям удалось выделить металл, теперь известный как вольфрам восстановлением этой кислоты с уголь, и им приписывают открытие элемента.^[53][54]

Вольта и вольтовская свая

Гальваническая куча на выставке в Темпио Вольтиано (Храм Вольты) возле дома Вольты в Комо.

Итальянский физик Алессандро Вольта сконструировал устройство для накопления большого заряда с помощью серии индукций и заземлений. Он исследовал открытие 1780-х годов »животное электричество" к Луиджи Гальвани, и обнаружил, что электрический ток возник из-за контакта разнородных металлов, и что лягушка действует только как детектор. Вольта продемонстрировал в 1794 году, что когда два металла и пропитанная рассолом ткань или картон объединяются в цепь, они создают электрический Текущий.

В 1800 году Вольта сложил несколько пар чередующихся медь (или же серебро) и цинк диски (электроды) отделенные тканью или картоном, пропитанным рассол (электролит) для увеличения проводимости электролита.^[55] Когда верхний и нижний контакты были соединены проводом, электрический Текущий протекал через это гальваническая свая и соединительный провод. Таким образом, Вольте приписывают постройку первого электрическая батарея производить электричество.

Таким образом, Вольта считается основоположником дисциплины электрохимия.^[56] А Гальванический элемент (или гальванический элемент) - это электрохимическая ячейка который получает электрическую энергию от спонтанного редокс реакция, происходящая внутри клетки. Обычно он состоит из двух разных металлов, соединенных соляной мост, или отдельные полуячейки, разделенные пористой мембраной.

Антуан-Лоран де Лавуазье

Портрет мсье Лавуазье и его жены, к Жак-Луи Давид

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 Сохранение массы, который еще называют «законом Лавуазье».^[57]

Первый в мире ледяной калориметр, использованный зимой 1782–83 годов Антуаном Лавуазье и Пьером-Симоном Лапласом для определения тепла, участвующего в различных химические изменения; расчеты, основанные на предыдущем открытии Джозефом Блэком скрытая теплота. Эти эксперименты составляют основу термохимия.

Повторяя эксперименты Пристли, он продемонстрировал, что воздух состоит из двух частей, одна из которых соединяется с металлами с образованием кальксы. 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 этого элемента, Лавуазье, таким образом, претендует на открытие кислорода наряду с Пристли и Шееле. Он также обнаружил, что «горючий воздух», обнаруженный Кавендишем, который он назвал водород (По-гречески «образующий воду») - в сочетании с кислородом с образованием росы, как сообщил Пристли, которая оказалась водой. В Reflexions sur le Phlogistique (1783 г.) Лавуазье показал теория флогистона горения быть непостоянным. Михаил Ломоносов самостоятельно установил традицию химии в России в 18 веке; он также отверг теорию флогистона и ожидал кинетическая теория газов. Ломоносов рассматривал тепло как форму движения и высказал идею сохранения материи.

Лавуазье работал с Клод Луи Бертолле и другие, чтобы разработать систему химическая номенклатура, что служит основой современной системы наименования химических соединений. В его Методы химической номенклатуры (1787), Лавуазье изобрел систему именования и классификации, которая широко используется сегодня, включая такие имена, 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 газа. аммиак. Бертолле впервые произвел современную отбеливающую жидкость в 1789 году, пропустив газообразный хлор через раствор карбонат натрия - получилось слабое решение гипохлорит натрия. Еще один сильный окислитель хлора и отбеливатель, который он исследовал и произвел первым, хлорат калия (KClO₃), известна как соль Бертолле. Бертолле также известен своим научным вкладом в теорию химическое равновесие через механизм обратимые реакции.

Traité élémentaire de chimie

Лавуазье Traité Élémentaire de Chimie (Элементарный трактат химии, 1789 г.) был первым современным учебником по химии, в нем был представлен единый взгляд на новые теории химии, содержалось четкое изложение Закона сохранения массы и отрицалось существование флогистона. Кроме того, он содержал список элементов или веществ, которые не подлежали дальнейшему разложению, в том числе кислород, азот, водород, фосфор, Меркурий, цинк, и сера. В его список, однако, также входили свет и калорийность, 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.

С участием Пьер-Симон Лаплас, Лавуазье использовал калориметр для оценки количества тепла, выделяемого на единицу произведенного углекислого газа. Они обнаружили такое же соотношение для пламени и животных, что указывает на то, что животные производят энергию посредством горения. Лавуазье верил в радикальная теория, в котором говорилось, 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 представляет собой кристаллическую форму 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 рисовая различные аппараты, которые Лавуазье использовал в своих лабораториях.^[58] 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 своего 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. Ричард Кирван. 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. В революция в химии которое он осуществил, было результатом сознательного усилия поместить все эксперименты в рамки единой теории. Он установил постоянное 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 французская революция.

19 век

В 1802 г. французско-американский химик и промышленник Éleuthère Irénée du Pont, который изучил производство пороха и взрывчатых веществ при Антуане Лавуазье, основал в Делавэре производитель пороха, известный как Э. И. дю Пон де Немур и компания. В французская революция вынудил свою семью переехать в Соединенные Штаты, где Дюпон открыл пороховую фабрику на Река Брендивайн в Делавэре. Желая сделать порошок как можно лучше, Дюпон внимательно следил за качеством используемых материалов. В течение 32 лет дю Пон был президентом компании E. I. du Pont de Nemours and Company, которая в конечном итоге превратилась в одну из крупнейших и наиболее успешных компаний Америки.

На протяжении XIX века химию разделили те, кто придерживался атомной теории Джон Далтон и те, кто этого не сделал, например Вильгельм Оствальд и Эрнст Мах.^[59] Хотя такие сторонники атомной теории, как Амедео Авогадро и Людвиг Больцманн добились больших успехов в объяснении поведения газы, этот спор не был окончательно разрешен до тех пор, пока Жан Перренэкспериментальное исследование Эйнштейнатомарное объяснение Броуновское движение в первом десятилетии 20 века.^[59]

Задолго до того, как спор был урегулирован, многие уже применили концепцию атомизма к химии. Основным примером был ион теория Сванте Аррениус которые предвосхитили идеи об атомной субструктуре, которые не получили полного развития до 20 века. Майкл Фарадей был еще одним ранним исследователем, чей главный вклад в химию электрохимия, в котором (среди прочего) определенное количество электричества во время электролиз или электроосаждение металлов, как было показано, связаны с определенными количествами химических элементов и, следовательно, фиксированными количествами элементов друг с другом в определенных соотношениях.^{[нужна цитата]} Эти данные, как и результаты исследования соотношений Дальтона, были первыми ключами к разгадке атомной природы вещества.

Джон Далтон

Джон Далтон его помнят за его работы по парциальным давлениям в газах, цветовой слепоте и атомной теории.

В 1803 г. английский метеоролог и химик Джон Далтон предложил Закон Дальтона, который описывает взаимосвязь между компонентами смеси газов и относительное давление, каждое из которых влияет на давление всей смеси.^[60] Эта концепция, открытая в 1801 году, также известна как закон парциальных давлений Дальтона.

Далтон также предложил современный атомная теория в 1803 году, в котором 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) и сложные (сложные молекулы ). В 1808 году Далтон впервые опубликовал Новая система химической философии (1808-1827), в котором он изложил первое современное научное описание теории атома. Эта работа идентифицировала химические элементы как особый тип атома, поэтому отвергая НьютонРоссийская теория химического сродства.

Вместо этого Дальтон вывел пропорции элементов в соединениях, взяв отношения масс реагентов, установив атомный вес водорода равным единице. Следующий Иеремиас Бенджамин Рихтер (известен тем, что вводит термин стехиометрия), он предположил, что химические элементы объединяются в интегральных соотношениях. Это известно как закон множественных пропорций или закон Далтона, и Далтон включил четкое описание закона в свой Новая система 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 посвятил теории калорий почти столько же места, сколько и атомизму.

Французский химик Джозеф Пруст предложил закон определенных пропорций, в котором говорится, что элементы всегда объединяются в небольших целочисленных соотношениях для образования соединений, на основе нескольких экспериментов, проведенных между 1797 и 1804 годами.^[61] Наряду с законом кратных пропорций, закон определенных пропорций составляет 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

Йенс Якоб Берцелиус, химик, разработавший современную технику химическая формула нотации и считается одним из отцов современной химии

Шведский химик и ученик Далтона, Йенс Якоб Берцелиус приступили к систематической программе, чтобы попытаться проводить точные и точные количественные измерения и гарантировать чистоту химикатов. Наряду с Лавуазье, Бойлем и Дальтоном Берцелиус известен как отец современной химии. В 1828 году он составил таблицу относительных атомных масс, в которой кислород использовался в качестве стандарта, его вес был установлен на уровне 100 и включал 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 Гипотеза Праута что элементы состоят из атомов водорода.

Мотивированный своими обширными определениями атомного веса и желая помочь своим экспериментам, он ввел классическую систему химические символы и запись с его публикацией 1808 г. Lärbok i Kemien, в котором элементы сокращены до одной или двух букв, чтобы их латинское название отличалось от символа. 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, H₂O), Берцелиус использовал верхний индекс (H²О). Берцелиусу приписывают определение химических элементов кремний, селен, торий, и церий. Студенты, работающие в лаборатории Берцелиуса, также обнаружили литий и ванадий.

Берцелиус разработал радикальная теория химической комбинации, которая утверждает, что реакции происходят в виде стабильных групп атомов, называемых радикалы обмениваются между молекулами. Он считал, что соли - это соединения, образованные кислоты и базыи обнаружил, что анионы в кислотах притягиваются к положительному электроду ( анод), тогда как катионы в основе притягивались к отрицательному электроду ( катод). Берцелиус не верил в Витализм Теория, но вместо этого в регулирующей силе, которая произвела 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 имели идентичные эмпирические формулы, но различались по общей молекулярной массе, причем большее из соединений описывалось как" полимеры »самых мелких. Согласно этому давно замененному, предструктурному определению, глюкоза (C₆ЧАС₁₂О₆) рассматривался как полимер формальдегид (CH₂О).

Новые элементы и газовые законы

Хэмфри Дэви, открытие нескольких щелочь и щелочноземельные металлы, а также вклад в открытия элементарной природы хлор и йод.

Английский химик Хэмфри Дэви был пионером в области электролиз, используя гальваническую груду Алессандро Вольта, чтобы разделить общие соединения и таким образом изолировать ряд новых элементов. Он продолжил электролиз расплавленных солей и открыл несколько новых металлов, особенно натрий и калий, высокореактивные элементы, известные как щелочных металлов. Калий, первый металл, выделенный электролизом, был открыт в 1807 году Дэви, который получил его из едкий калий (КОН). До XIX века не делалось различия между калием и натрием. Натрий был впервые выделен Дэви в том же году путем пропускания электрического тока через расплавленный металл. едкий натр (NaOH). Когда Дэви услышал, что Берцелиус и Понтин приготовили амальгаму кальция путем электролиза извести в ртути, он попробовал это сам. Дэви добился успеха и обнаружил кальций в 1808 г. путем электролиза смеси Лайм и оксид ртути.^[62][63] Он работал с электролизом на протяжении всей своей жизни, а в 1808 году изолировал магний, стронций^[64] и барий.^[65]

Дэви также экспериментировал с газами, вдыхая их. Эта экспериментальная процедура несколько раз была почти фатальной, но привела к открытию необычных эффектов оксид азота, который стал известен как веселящий газ. Хлор был открыт в 1774 году шведским химиком Карл Вильгельм Шееле, кто назвал это «дефлогистированная морская кислота» (видеть теория флогистона) и ошибочно подумал, что он содержит кислород. Шееле наблюдал некоторые свойства газообразного хлора, такие как его отбеливающее действие на лакмус, его смертельное действие на насекомых, его желто-зеленый цвет и сходство его запаха с запахом царская водка. Однако в то время Шееле не смог опубликовать свои выводы. В 1810 году хлор получил свое нынешнее название от Хамфри Дэви (происходит от греческого слова «зеленый»), который настаивал на том, что хлор на самом деле является химическим веществом. элемент.^[66] Он также показал, что кислород не может быть получен из вещества, известного как оксимуриатиновая кислота (Раствор HCl). Это открытие перевернуло Лавуазье определение кислот как соединений кислорода. Дэви был популярным лектором и способным экспериментатором.

Жозеф Луи Гей-Люссак, который заявил, что соотношение между объемами реагирующих газов и продуктов может быть выражено простыми целыми числами.

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 "Закон Чарльза", как отметил Гей-Люссак Жак Шарль, который пришел к почти такому же выводу в 1780-х годах, но не опубликовал его.^[67] Закон был независимо открыт британским натурфилософом Джоном Далтоном к 1801 году, хотя его описание было менее полным, чем описание Гей-Люссака.^[68][69] 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 и образцы воздуха, которые позже анализировал химическим путем.

В 1808 году Гей-Люссак объявил, что, вероятно, было его самым большим достижением: из своих собственных и других экспериментов 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 одинаковых 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". Со своим коллегой профессором в École Polytechnique, Луи Жак ТенарГей-Люссак также участвовал в ранних электрохимических исследованиях, исследуя обнаруженные с его помощью элементы. Среди прочих достижений они разложились борная кислота используя плавленый калий, открывая 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 Бернар Куртуа в 1811 г.^[70][71] Куртуа дал образцы своим друзьям, Шарль Бернар Десорм (1777–1862) и Николя Клеман (1779–1841), чтобы продолжить исследования. Он также передал часть вещества Гей-Люссаку и физику. Андре-Мари Ампер. 6 декабря 1813 года Гей-Люссак объявил, что новое вещество представляет собой элемент или соединение кислорода.^[72][73][74] Это Гей-Люссак предложил название "iode", от греческого слова ιώδες (iodes), обозначающего фиолетовый (из-за цвета паров йода).^[70][72] Ампер передал часть своего образца Хэмфри Дэви. Дэви провел несколько экспериментов с этим веществом и отметил его сходство с хлором.^[75] Дэви отправил письмо от 10 декабря в Лондонское королевское общество заявив, что он определил новый элемент.^[76] 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 Хэмфри Дэви изобрел Лампа Дэви, что позволило майнерам в угольные шахты безопасно работать в присутствии легковоспламеняющихся газов. Было много взрывов на шахтах, вызванных рудничный газ или метан часто воспламеняется 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 лампа безопасности уже было продемонстрировано Уильям Рид Клэнни и неизвестным тогда (но впоследствии очень известным) инженером Джордж СтивенсонИспользование Дэви проволочной сетки для предотвращения распространения пламени использовалось многими другими изобретателями в их более поздних конструкциях. Были некоторые дискуссии о том, открыл ли Дэви принципы, лежащие в основе его лампы, без помощи работы Смитсон Теннант, но все согласились, что работа обоих мужчин была независимой. Дэви отказался запатентовать лампу, и за ее изобретение он был награжден Рамфорд медаль в 1816 г.^[77]

Амедео Авогадро, который постулировал, что при контролируемых условиях температуры и давления равные объемы газов содержат одинаковое количество молекул. Это известно как Закон Авогадро.

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 неопределенность относительно того, как атомную теорию следует сконфигурировать и применить к конкретным ситуациям; химики в разных странах разработали несколько разных несовместимых атомистических систем. Статья, предлагавшая выход из этой сложной ситуации, была опубликована еще в 1811 году итальянским физиком. Амедео Авогадро (1776-1856), которые предположили, что равные объемы газов температура и давление содержат равное количество молекул, из которых следует этот относительный молекулярная масса любых двух газов такие же, как и 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 как Александр Вильямсон в Англии, Чарльз Герхардт и Шарль-Адольф Вюрц во Франции и Август Кекуле в Германии начал выступать за реформу теоретической химии, чтобы привести ее в соответствие с теорией Авогадриана.

Велер и дебаты о витализме

Структурная формула мочевина

В 1825 г. Фридрих Вёлер и Юстус фон Либих выполнил первое подтвержденное открытие и объяснение изомеры, ранее названный Берцелиусом. Работать с циановая кислота и фульминовая кислота, они правильно сделали вывод, что изомерия была вызвана различным расположением атомов в молекулярной структуре. В 1827 г. Уильям Праут классифицировали биомолекулы в их современные группы: углеводы, белки и липиды. После выяснения природы горения возник спор о витализм и началось существенное различие между органическими и неорганическими веществами. Революция в вопросе витализма произошла в 1828 году, когда Фридрих Велер синтезировал мочевина, 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 важные из них: лиловый, пурпурный, и другие синтетические красители, а также широко применяемый препарат аспирин. Открытие искусственного синтеза мочевины внесло большой вклад в теорию изомерия, как эмпирические химические формулы для мочевины и цианат аммония идентичны (см. Вёлер синтез). В 1832 году Фридрих Велер и Юстус фон Либих открыли и объяснили функциональные группы и радикалы применительно к органической химии, а также к первому синтезу бензальдегид. Либих, немецкий химик, внес большой вклад в сельскохозяйственный и биологическая химия, и работал над организацией органическая химия. Либих считается «отцом удобрение промышленность "за открытие азот как важное растение питательное вещество, и его формулировка Закон минимума в котором описывается влияние отдельных питательных веществ на посевы.

Середина 1800-х годов

В 1840 г. Жермен Хесс предложил Закон Гесса, раннее заявление закон сохранения энергии, устанавливающий, что энергия Изменения в химическом процессе зависят только от состояний исходных материалов и материалов продукта, а не от конкретного пути между двумя состояниями. В 1847 г. Герман Кольбе полученный уксусная кислота из совершенно неорганических источников, что еще больше опровергает витализм. В 1848 г. Уильям Томсон, первый барон Кельвин (широко известный как лорд Кельвин) установил концепцию абсолютный ноль, температура, при которой прекращается движение молекул. В 1849 г. Луи Пастер обнаружил, что рацемический форма Винная кислота представляет собой смесь левовращающей и правовращающей форм, что проясняет природу оптическое вращение и продвижение области стереохимия.^[78] В 1852 г. Августовское пиво предложил Закон пива, который объясняет взаимосвязь между составом смеси и количеством света, которое она будет поглощать. Частично основано на более ранней работе Пьер Бугер и Иоганн Генрих Ламберт, он установил аналитический техника, известная как спектрофотометрия.^[79] В 1855 г. Бенджамин Силлиман-младший пионерские методы крекинг нефти, что сделало весь современный нефтехимическая промышленность возможный.^[80]

Формулы уксусной кислоты даны по Август Кекуле в 1861 г.

Гипотеза Авогадро стала пользоваться широкой популярностью среди химиков только после того, как его соотечественник и коллега-ученый Станислао Канниццаро продемонстрировал свою ценность в 1858 году, через два года после смерти Авогадро. Химические интересы Канниццаро ​​изначально были сосредоточены на натуральных продуктах и ​​реакциях ароматические соединения; в 1853 году он обнаружил, что когда бензальдегид обрабатывается концентрированной базой, как бензойная кислота и бензиловый спирт производятся - явление, известное сегодня как Канниццаро ​​реакция. В своей брошюре 1858 года Канниццаро ​​показал, что полное возвращение к идеям Авогадро можно использовать 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 из них были одноатомный, большинство были двухатомный, а некоторые были еще более сложными.

Еще одним предметом разногласий были формулы соединений щелочных металлов (такие как натрий) и щелочноземельные металлы (такие как кальций), которые, ввиду их поразительных химических аналогий, большинство химиков хотели отнести к одному и тому же типу формулы. Канниццаро ​​утверждал, что отнесение этих металлов к разным категориям дает положительный результат в виде устранения определенных аномалий при использовании их физических свойств для определения атомного веса. К сожалению, памфлет Канниццаро ​​изначально был опубликован только на итальянском языке и сразу же не имел большого влияния. Настоящий прорыв произошел с международный химический конгресс проходил 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 остальные), 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 спала чешуя».^[81] Таким образом, Канниццаро ​​сыграл решающую роль в победе в битве за реформы. Система, отстаиваемая им и вскоре принятая большинством ведущих химиков, практически идентична той, что используется до сих пор.

Перкин, Крукс и Нобель

В 1856 году сэр Уильям Генри Перкин, 18 лет, получил вызов от своего профессора, Август Вильгельм фон Хофманн, стремился синтезировать хинин, анти-малярия наркотик, из каменноугольная смола. С одной попытки Перкин окисленный анилин с использованием дихромат калия, чей толуидин примеси прореагировали с анилином и дали черное твердое вещество, что свидетельствует о «неудавшемся» органическом синтезе. Очистив колбу спиртом, Перкин заметил фиолетовые части раствора: побочным продуктом этой попытки был первый синтетический краситель, известный как лиловый или лиловый Перкина. Открытие Перкина положило начало индустрии синтеза красителей, одной из первых успешных отраслей химической промышленности.

Немецкий химик Август Кекуле фон СтрадоницСамым важным отдельным вкладом была его структурная теория органического состава, изложенная в двух статьях, опубликованных в 1857 и 1858 годах и подробно описанная на страницах его чрезвычайно популярного Lehrbuch der Organischen Chemie («Учебник органической химии»), первая часть которого вышла в 1859 году и постепенно расширилась до четырех томов. Кекуле утверждал, что четырехвалентный углерод атомов - то есть углерода, образующего 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. Шотландский химик Арчибальд Скотт Купер почти одновременно опубликовал аналогичную теорию, и русский химик Александр Бутлеров много сделал для прояснения и расширения теории структуры. Однако в химическом сообществе преобладали идеи Кекуле.

А Трубка Крукса (2 вида): светлый и темный. Электроны движутся по прямым линиям от катод (слева), о чем свидетельствует тень, отбрасываемая от Мальтийский крест на флуоресценции правого конца. Анод находится у нижнего провода.

Британский химик и физик Уильям Крукс известен своим электронно-лучевая исследования, фундаментальные в развитии атомная физика. 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 Трубка Крукса - ранняя экспериментальная разрядная трубка с частичным вакуумом, с помощью которой он изучал поведение катодных лучей. С введением спектральный анализ к Роберт Бунзен и Густав Кирхгоф (1859-1860), Крукс применил новую технику к изучению селен соединения. Бунзен и Кирхгоф ранее использовали спектроскопию как средство химического анализа, чтобы обнаружить цезий и рубидий. 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. Изучая таллий, Крукс открыл принцип Радиометр Крукса, устройство, преобразующее световое излучение во вращательное движение. Принцип этого радиометра нашел множество применений при разработке чувствительных измерительных приборов.

В 1862 г. Александр Паркс выставлен Parkesine, один из первых синтетические полимеры, на Международной выставке в Лондоне. Это открытие легло в основу современного пластмассовая промышленность. В 1864 г. Катон Максимилиан Гульдберг и Питер Вааге, опираясь на идеи Клода Луи Бертолле, предложил закон массового действия. В 1865 г. Иоганн Йозеф Лошмидт определил точное количество молекул в крот, позже названный Число Авогадро.

В 1865 году Август Кекуле, частично опираясь на работы Лошмидта и других, установил структуру бензола в виде шестиуглеродного кольца с чередующимися одиночными и двойные связи. 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 отстаивал Кекуле. Кекуле также известен тем, что разъяснил природу ароматических соединений, которые представляют собой соединения на основе молекулы бензола. В 1865 г. Адольф фон Байер начал работу над краситель 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, подобное кизельгур (диатомовая земля) она стала более безопасной и удобной в обращении, и эту смесь он запатентовал в 1867 году как динамит. Позднее Нобель объединил нитроглицерин с различными соединениями нитроцеллюлозы, подобно коллодий, но остановился на более эффективном рецепте, сочетающем еще одну нитратную взрывчатку, и получил прозрачное желеобразное вещество, которое было более мощным взрывчатым веществом, чем динамит. Гелигнит, или взрывной желатин, как его назвали, был запатентован в 1876 году; и последовало множество подобных комбинаций, модифицированных добавлением азотнокислый калий и различные другие вещества.

Таблица Менделеева

Дмитрий Менделеев, ответственный за организацию известных химических элементов в периодическая таблица.

Важным прорывом в понимании списка известных химических элементов (а также в понимании внутренней структуры атомов) был Дмитрий Менделеевразработка первых современных периодическая таблица, 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 Принципы химии 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 элементов, которые еще предстоит открыть, которые он назвал экаборон (Eb), экалюминий (Ea) и экасиликон (Es), которые оказались хорошими предикторами свойств скандий, галлий, и германийсоответственно, каждая из которых занимает место в периодической таблице, назначенное 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 доказательство многих его предсказаний при его жизни прославило Менделеева как основателя периодического закона. Эта организация превзошла предыдущие попытки классификации по Александр-Эмиль Бегайе де Шанкуртуа, который опубликовал теллурическую спираль, раннюю трехмерную версию периодической таблицы элементов в 1862 году, Джон Ньюлендс, который предложил закон октав (предшественник периодического закона) в 1864 году, и Лотар Мейер, который разработал раннюю версию таблицы Менделеева с 28 элементами, организованными валентность в 1864 г. в таблице Менделеева не было благородные газыоднако, что еще не было обнаружено. 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 г. Якобус Хенрикус ван 'т Хофф и Джозеф Акилле Ле Бель, работая самостоятельно, разработал модель химическая связь это объяснило эксперименты Пастера с хиральностью и дало физическую причину для оптическая активность в хиральных соединениях.^[82] публикация ван 'т Гоффа под названием Voorstel tot Uitbreiding der Tegenwoordige in de Scheikunde gebruikte Structuurformules in de Ruimteи др. (Предложение о разработке 3-х мерных химических структурных формул) и состоящее из двенадцати страниц текста и одной страницы диаграмм, дало толчок развитию стереохимия. 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

Дж. Уиллард Гиббс сформулировал концепцию термодинамическое равновесие системы с точки зрения энергии и энтропии. Он также провел обширную работу по химическому равновесию и равновесию между фазами.

Американский физик-математик Дж. Уиллард Гиббсработает над приложениями термодинамика сыграл важную роль в преобразовании физическая химия 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 химический потенциал, или «топливо», которое заставляет работать химические реакции. В 1876 году он опубликовал свой самый известный труд "О равновесии неоднородных веществ.", сборник его работ по термодинамике и физической химии, в которых изложена концепция свободная энергия для объяснения физических основ химического равновесия.^[83] Эти эссе 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 рамках этой статьи был, пожалуй, самый выдающийся его вклад - введение концепции свободной энергии, которую теперь повсеместно называют Свободная энергия Гиббса в его честь. Свободная энергия Гиббса связывает тенденцию физической или химической системы одновременно снижать свою энергию и увеличивать беспорядок, или энтропия, 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 включают такие изменения, его работа значительно повлияла как на теоретические, так и на экспериментальные аспекты этих наук. В 1877 г. Людвиг Больцманн установленный статистический вывод многих важных физических и химических концепций, включая энтропия, и распределения молекулярных скоростей в газовой фазе.^[84] Вместе с Больцманом и Джеймс Клерк Максвелл, Гиббс создал новый раздел теоретической физики под названием статистическая механика (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, опубликованный 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 на частичные суммы Ряд Фурье в точках разрыва известен как Феномен Гиббса.

Конец 19 века

Немецкий инженер Карл фон ЛиндеИзобретение непрерывного процесса сжижения газов в больших количествах легло в основу современной технологии охлаждение и дала импульс и средства для проведения научных исследований при низких температурах и очень высоком вакууме. Он разработал диметиловый эфир холодильник (1874 г.) и аммиачный холодильник (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, в стали производство).

В 1883 г. Сванте Аррениус разработал ион теория для объяснения проводимости в электролиты.^[85] В 1884 г. Якобус Хенрикус ван 'т Хофф опубликовано Études de Dynamique chimique (Исследования по динамической химии), плодотворное исследование химическая кинетика.^[86] В этой работе Ван 'т Гофф впервые вошел в область физической химии. Большое значение имело его развитие общей термодинамической взаимосвязи между теплотой превращения и смещением равновесия в результате изменения температуры. При постоянном объеме равновесие в системе будет стремиться смещаться в таком направлении, чтобы противодействовать изменению температуры, которое накладывается на систему. Таким образом, снижение температуры приводит к выделению тепла, а повышение температуры приводит к поглощению тепла. Впоследствии (1885 г.) этот принцип подвижного равновесия в общей форме сформулировал Анри Луи Ле Шателье, который расширил принцип, включив в него компенсацию за счет изменения объема наложенных изменений давления. Принцип Ван 'т Гоффа-Ле Шателье, или просто Принцип Ле Шателье, объясняет ответ динамичный химическое равновесие к внешним воздействиям.^[87]

В 1884 г. Герман Эмиль Фишер предложила структуру пурин, ключевую структуру во многих биомолекулах, которую он позже синтезировал в 1898 году. Он также начал работу над химией глюкоза и связанные сахара.^[88] В 1885 г. Юджин Гольдштейн назвал электронно-лучевая, позже было обнаружено, что они состоят из электронов, и канал луч, позже было обнаружено, что это положительные ионы водорода, лишенные электронов в электронно-лучевая трубка; позже они будут названы протоны.^[89] В 1885 году были изданы книги Дж. Х. ван 'т Гоффа. L'Equilibre chimique dans les Systèmes gazeux or dissous à I'État dilué (Химические равновесия в газовых системах или сильно разбавленных растворах), которые касались этой теории разбавленных растворов. Здесь он продемонстрировал, что "осмотическое давление"в растворах, которые достаточно разбавлены, пропорциональна концентрация и абсолютная температура, так что это давление может быть представлено формулой, которая отклоняется от формулы для давления газа только коэффициентом я. Он также определил стоимость я различными способами, например с помощью давление газа и Франсуа-Мари РаульРезультаты 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 всеобщее признание благодаря теории электролитической диссоциации Аррениуса (1884-1887) - первого иностранца, приехавшего с ним работать в Амстердаме (1888), - считаются наиболее всеобъемлющими и важными в области естественных наук. В 1893 г. Альфред Вернер открыли октаэдрическую структуру комплексов кобальта, тем самым установив область координационная химия.^[90]

Открытие Рамзи благородных газов

Самые знаменитые открытия шотландского химика Уильям Рамзи были сделаны в неорганической химии. Рамзи был заинтригован британским физиком Джон Стратт, третий барон Рэлейоткрытие 1892 г., что атомный вес азот содержание азота в химических соединениях было ниже, чем содержание 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 открытый тяжелый газ. Используя два различных 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 аргон.

J.J. Томсон

В следующем году Рамзи освободил еще один инертный газ из минерала под названием клевеит; это оказалось гелий, ранее известный только в солнечном спектре. В его 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. Трэверс изолировали эти элементы, называемые неон, криптон, и ксенон- из воздуха, переведенного в жидкое состояние при низкой температуре и высоком давлении. Сэр Уильям Рамзи работал с Фредерик Содди чтобы продемонстрировать в 1903 году, что альфа-частицы (ядра гелия) непрерывно образуются во время радиоактивного распада образца радия. Рамзи был награжден орденом 1904 г. Нобелевская премия по химии в знак признания «заслуг в открытии инертных газообразных элементов в воздухе и определении их места в периодической системе».

В 1897 г. Дж. Дж. Томсон обнаружил электрон с использованием электронно-лучевая трубка. В 1898 г. Вильгельм Вена продемонстрировали, что лучи канала (потоки положительных ионов) могут отклоняться магнитными полями, и что величина отклонения пропорциональна отношение массы к заряду. Это открытие привело бы к аналитический техника, известная как масс-спектрометрии в 1912 г.^[91]

Мари и Пьер Кюри

Мари Кюри, пионер в области радиоактивности и первый дважды удостоенный награды Нобелевский лауреат (и до сих пор единственный в двух разных науках)

Мария Склодовская-Кюри была французским физиком и химиком польского происхождения, известная своими новаторскими исследованиями радиоактивность. Считается, что она и ее муж заложили краеугольный камень ядерного века своими исследованиями радиоактивности. Мари увлекла работа Анри Беккерель, французский физик, который в 1896 году обнаружил, что уран испускает лучи, похожие на Рентгеновские лучи обнаружен Вильгельм Рентген. 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 дальше, 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 атомная физика и Кюри придумали слово радиоактивность описывать явления.

Пьер Кюри, известный своими работами по радиоактивности, а также ферромагнетизм, парамагнетизм, и диамагнетизм; особенно Закон Кюри и Точка Кюри.

Пьер и Мари далее исследовали радиоактивность, работая над разделением веществ в урановых рудах, а затем используя электрометр проводить измерения радиации, чтобы «отследить» мельчайшее количество неизвестного радиоактивного элемента среди образовавшихся фракций. Работа с минералом уран, пара открыла новый радиоактивный элемент в 1898 году. Они назвали элемент полоний, в честь родины Мари, Польши. 21 декабря 1898 года Кюри обнаружили в настуране еще один радиоактивный материал. Они представили этот вывод Французская Академия Наук 26 декабря, предложив назвать новый элемент радий. 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 новообразования, используя радиоактивные изотопы. Вместе с Анри Беккерелем и ее мужем Пьером Кюри она была награждена орденом 1903 г. Нобелевская премия по физике. Она была единственным победителем конкурса 1911 г. Нобелевская премия по химии. Она была первой женщиной, получившей Нобелевскую премию, и она единственная женщина, получившая 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 исследовании (включая световые и химические эффекты) новых излучений. Посредством действия магнитных полей на лучи, испускаемые радием, он доказал существование частиц, которые были электрически положительными, отрицательными и нейтральными; эти Эрнест Резерфорд впоследствии стал называться альфа-, бета- и гамма-лучами. Затем Пьер изучил эти излучения с помощью калориметрия а также наблюдали физиологические эффекты радия, открывая тем самым путь к радиевой терапии. Среди открытий Пьера Кюри было то, что ферромагнитные вещества демонстрируют критический температурный переход, выше которого вещества теряют свое ферромагнитное поведение - это известно как "Точка КюриОн 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. rue Dauphine в Париже в 1906 году и умер мгновенно. Полное собрание его сочинений было опубликовано в 1908 году.

Эрнест Резерфорд

Эрнест Резерфорд, первооткрыватель ядра и считающийся отцом ядерной физики

Новозеландский химик и физик. Эрнест Резерфорд считается "отцом ядерная физика. "Резерфорд наиболее известен тем, что придумал имена альфа, бета, и гамма классифицировать различные формы радиоактивных «лучей», которые были плохо изучены в его время (альфа- и бета-лучи - это пучки частиц, а гамма-лучи - это форма высокоэнергетических электромагнитное излучение). Резерфорд отклонил альфа-лучи как электрическим, так и магнитным полями в 1903 году. Фредерик Содди, Резерфорд объяснил, что радиоактивность связано с трансмутация элементов, которые, как теперь известно, включают ядерные реакции.

Вверху: предсказанные результаты, основанные на принятой тогда модели атома сливового пудинга. Внизу: наблюдаемые результаты. Резерфорд опроверг модель сливового пудинга и пришел к выводу, что положительный заряд атома должен быть сосредоточен в небольшом центральном ядре.

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 "период 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 наблюдал за экспериментом, проведенным его ученики Ганс Гейгер (известен счетчик Гейгера) и Эрнест Марсден. в Эксперимент Гейгера – Марсдена, пучок альфа-частиц, образованный в результате радиоактивного распада радон, направлялась нормально на лист очень тонкой золотой фольги в откачанной камере. В условиях преобладающего сливовый пудинг модель, 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, поскольку некоторые из альфа-частиц отклонялись или отражались, атом имел концентрированный центр положительного заряда и относительно большой массы - позже Резерфорд назвал этот положительный центр "атомное ядро". 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 центрального солнечного ядра. За свои работы с излучением и атомным ядром Резерфорд получил Нобелевскую премию по химии 1908 года.

20 век

Первый Сольвей Конференция был проведен в Брюссель в 1911 году и считался поворотным моментом в мире физика и химия.

В 1903 г. Михаил Цвет изобрел хроматография, важный аналитический метод. В 1904 г. Хантаро Нагаока предложил раннюю ядерную модель атома, в которой электроны вращаются вокруг плотного массивного ядра. В 1905 г. Фриц Габер и Карл Бош разработал Процесс Габера для изготовления аммиак, веха в промышленной химии с глубокими последствиями для сельского хозяйства. Процесс Габера или процесс Габера-Боша в сочетании 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 Макс Борнпредложил Цикл Борна – Габера как метод оценки энергии решетки ионного твердого тела. Хабера также называют «отцом химическая война"за его работу по разработке и применению хлора и других ядовитых газов во время Первой мировой войны.

Роберт А. Милликен, который наиболее известен тем, что измерил заряд электрона, получил Нобелевскую премию по физике в 1923 году.

В 1905 г. Альберт Эйнштейн объяснил Броуновское движение таким образом, чтобы окончательно доказать атомную теорию. Лео Бэкеланд изобрел бакелит, один из первых коммерчески успешных пластиков. В 1909 г. американский физик Роберт Эндрюс Милликен - которые учились в Европе под Вальтер Нернст и Макс Планк - измерил заряд отдельных электронов с беспрецедентной точностью через эксперимент 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 фотоэлектрический Поддержка для Постоянная Планка. В 1923 году Милликен был удостоен Нобелевской премии по физике.

В 1909 г. С. П. Л. Соренсен изобрел pH концепция и разработанные методы измерения кислотности. В 1911 г. Антониус Ван ден Брук предложил идею о том, что элементы периодической таблицы более правильно организованы положительным зарядом ядра, а не атомным весом. В 1911 г. состоялся первый Сольвей Конференция проходил в Брюсселе, собрав самых выдающихся ученых того времени. В 1912 г. Уильям Генри Брэгг и Уильям Лоуренс Брэгг предложил Закон Брэгга и установил сферу Рентгеновская кристаллография, важный инструмент для выяснения кристаллической структуры веществ. В 1912 г. Питер Дебай использовал понятие молекулярного диполя для описания асимметричного распределения заряда в некоторых молекулах.

Нильс Бор

Нильс Бор, разработчик Модель Бора атома и ведущий основатель квантовая механика

В 1913 г. Нильс Бор, датский физик, представил концепции квантовая механика атомной структуре, предложив то, что сейчас известно как Модель Бора атома, где электроны существуют только на строго определенных круговых орбитах вокруг ядра, подобных ступеням на лестнице. Модель Бора - это планетарная модель, в которой отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг небольшого положительно заряженного ядра, похожего на планеты, вращающиеся вокруг Солнца (за исключением того, что орбиты не являются плоскими) - гравитационная сила Солнечной системы математически сродни притяжению. Кулоновская (электрическая) сила между положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами.

В модели Бора, однако, электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, которые имеют заданный размер и энергию - уровни энергии называются квантованный, что означает, что разрешены только определенные орбиты с определенными радиусами; промежуточных орбит просто не существует. Энергия орбиты связана с ее размером - то есть самая низкая энергия находится на самой маленькой 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, дает уникальный спектр излучения для каждого элемента. Позже Бор получил за эту работу Нобелевскую премию по физике.

Нильс Бор также работал по принципу взаимодополняемость, в котором говорится, что электрон можно интерпретировать двумя взаимоисключающими и действительными способами. Электроны можно интерпретировать как модели волн или частиц. Его гипотеза заключалась в том, что падающая частица ударится по ядру и создаст возбужденное составное ядро. Это легло в основу его модель капли жидкости а позже послужил теоретической базой для ядерное деление после его открытие химиками Отто Хан и Фриц Штрассман, а также объяснения и наименования физиками Лиз Мейтнер и Отто Фриш.

Лестница Мозли

В 1913 г. Генри Мозли, основываясь на более ранней идее Ван ден Брука, ввел понятие атомного числа, чтобы исправить некоторые недостатки периодической таблицы Менделеева, которая была основана на атомном весе. Пик карьеры Фредерика Содди в радиохимии пришелся на 1913 год, когда он сформулировал концепцию изотопы, в котором говорилось, что определенные элементы существуют в двух или более формах, которые имеют разную атомную массу, но химически неразличимы. Его помнят за доказательство существования изотопов определенных радиоактивных элементов, а также приписывают, наряду с другими, открытие элемента. протактиний в 1917 году. В 1913 году Дж. Дж. Томсон расширил работу Вина, показав, что заряженные субатомные частицы могут быть разделены по их отношению массы к заряду, метод, известный как масс-спектрометрии.

Гилберт Н. Льюис

Американский физико-химик Гилберт Н. Льюис заложил фундамент теория валентной связи; 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 химическая связь с разделением пары электронов между двумя связанными атомами. Льюис представил в этой статье «электронные точечные диаграммы» для обозначения электронных структур атомов и молекул. Теперь известен как Структуры Льюиса, они обсуждаются практически в каждой вводной книге 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 этой теме во многом было стимулировано деятельностью американского химика и исследователя General Electric. Ирвинг Ленгмюр, который между 1919 и 1921 годами популяризировал и развивал модель Льюиса. Впоследствии Ленгмюр ввел термин Ковалентная связь. В 1921 г. Отто Стерн и Вальтер Герлах установил концепцию квантово-механического спина в субатомных частицах.

Для случаев, когда не использовалось совместное использование, Льюис в 1923 году разработал теорию электронных пар кислоты и основание: Льюис переопределил кислоту как любой атом или молекулу с неполным октетом, которая, таким образом, была способна принимать электроны от другого атома; базы были, конечно, донорами электронов. Его теория известна как концепция Кислоты и основания Льюиса. В 1923 г. Г. Н. Льюис и Мерл Рэндалл опубликовано Термодинамика и свободная энергия химических веществ., первый современный трактат по химии термодинамика.

В 20-е годы XX века модель Льюиса для парной связи электронов стала быстро применяться в области органической и координационной химии. В органической химии это произошло прежде всего благодаря усилиям британских химиков. Артур Лэпворт, Роберт Робинсон, Томас Лоури, и Кристофер Ингольд; в то время как в координационной химии модель связывания Льюиса была продвинута усилиями американского химика. Морис Хаггинс и британский химик Невил Сиджвик.

Квантовая механика

Квантовая механика в 1920-е годы

Слева направо, верхний ряд: Луи де Бройль (1892–1987) и Вольфганг Паули (1900–58); второй ряд: Эрвин Шредингер (1887–1961) и Вернер Гейзенберг (1901–76)

В 1924 году французский квантовый физик Луи де Бройль опубликовал диссертацию, в которой представил революционную теорию электронных волн, основанную на дуальность волна-частица. В его время волновые и частичные интерпретации света и иметь значение рассматривались как противоречащие друг другу, но де Бройль предположил, что эти, казалось бы, разные характеристики были одним и тем же поведением, наблюдаемым с разных точек зрения - что частицы могут вести себя как волны, а волны (излучение) могут вести себя как частицы. Предложение Бройля предлагало объяснение ограниченного движения электроны 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 явно, так и продолжая ее развивать.

В 1925 году физик австрийского происхождения Вольфганг Паули разработал Принцип исключения Паули, в котором говорится, что никакие два электрона вокруг одного ядра в атоме не могут занимать одно и то же квантовое состояние одновременно, как описано четырьмя квантовые числа. Паули внес большой 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.

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

В Уравнение Шредингера

В 1926 году в возрасте 39 лет австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер выпустил статьи, которые заложили 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 и Уравнения движения Ньютона медведь к планетарной астрономии. Приняв предложение, сделанное Луи де Бройлем в 1924 году, о том, что частицы вещества 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, являются волновыми функциями, которые могут быть связаны только с вероятным возникновением физических событий. Легко визуализируемая последовательность событий планетарных орбит Ньютона в квантовой механике заменена более абстрактным понятием вероятность. (Этот аспект квантовой теории глубоко огорчил Шредингера и некоторых других физиков, и он посвятил большую часть своей дальнейшей жизни 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 свою принцип неопределенности, на которой он построил свою философию и которой 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 гидродинамика из турбулентные потоки, атомное ядро, ферромагнетизм, космические лучи, и субатомные частицы, и он сыграл важную роль в планировании первого западногерманского ядерный реактор в Карлсруэвместе с исследовательский реактор в Мюнхене, в 1957 году. Его работа по атомным исследованиям во время Второй мировой войны вызывает много споров.

Квантовая химия

Некоторые видят рождение квантовой химии в открытии Уравнение Шредингера и его применение к атом водорода в 1926 г.^{[нужна цитата]} Однако статья 1927 г. Вальтер Хайтлер и Фриц Лондон^[92] часто считается первой вехой в истории квантовой химии. Это первое применение квантовая механика к двухатомным водород молекулы, и, следовательно, к явлению химическая связь. В последующие годы большой прогресс был достигнут Эдвард Теллер, Роберт С. Малликен, Макс Борн, Дж. Роберт Оппенгеймер, Линус Полинг, Эрих Хюкель, Дуглас Хартри и Владимир Александрович Фок, чтобы процитировать несколько.^{[нужна цитата]}

Тем не менее сохранялся скептицизм в отношении общей силы квантовой механики, применяемой к сложным химическим системам.^{[нужна цитата]} Ситуацию около 1930 года описывают Поль Дирак:^[93]

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 решить. Поэтому становится желательным разработать приближенные практические методы применения квантовой механики, которые могут привести к объяснению основных характеристик сложных атомных систем без слишком больших вычислений.

Поэтому квантово-механические методы, разработанные в 1930-х и 1940-х годах, часто называют теоретическими. молекулярный или атомная физика чтобы подчеркнуть тот факт, что они были скорее приложением квантовой механики к химии и спектроскопия чем ответы на химически важные вопросы. В 1951 г. появилась важная статья в области квантовой химии. Клеменс К. Дж. Рутан на Уравнения Рутана.^[94] Это открыло путь к решению самосогласованное поле уравнения для малых молекул, таких как водород или азот. Эти вычисления производились с помощью таблиц интегралов, которые вычислялись на самых передовых компьютерах того времени.^{[нужна цитата]}

В 1940-х годах многие физики перестали молекулярный или атомная физика к ядерная физика (подобно Дж. Роберт Оппенгеймер или Эдвард Теллер). Гленн Т. Сиборг был американским химиком-ядерщиком, наиболее известным своими работами по изоляции и идентификации трансурановые элементы (тяжелее, чем уран). Он разделил Нобелевскую премию по химии 1951 года с Эдвин Мэттисон Макмиллан за независимые открытия трансурановых элементов. Сиборгий был назван в его честь, что сделало его единственным человеком, наряду с Альберт Эйнштейн и Юрий Оганесян, в честь которого при жизни был назван химический элемент.

Молекулярная биология и биохимия

К середине 20-го века, в принципе, интеграция физики и химии была обширной, а химические свойства объяснялись электронный структура атом; Линус Полингкнига о Природа химической связи использовал принципы квантовой механики, чтобы вывести валентные углы во все более сложных молекулах. Однако, хотя некоторые принципы, выведенные из квантовой механики, могли качественно предсказать некоторые химические свойства биологически релевантных молекул, до конца 20 века они были скорее набором правил, наблюдений и рецептов, чем строгими ab initio количественные методы.^{[нужна цитата]}

Схематическое изображение некоторых ключевых структурных особенностей ДНК

Этот эвристический подход восторжествовал в 1953 г., когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик вывел двойную спиральную структуру ДНК путем построения моделей, ограниченных и основанных на знании химии составных частей и дифракция рентгеновских лучей шаблоны, полученные Розалинд Франклин.^[95] Это открытие привело к взрыву исследований в биохимия жизни.

В том же году Эксперимент Миллера – Юри продемонстрировали, что основные составляющие белок, просто аминокислоты, сами могут быть построены из более простых молекул в симуляция изначального процессы на земле. Хотя остается много вопросов об истинной природе происхождения жизни, это была первая попытка химиков изучить гипотетические процессы в лаборатории в контролируемых условиях.^{[нужна цитата]}

В 1983 г. Кэри Маллис разработал метод амплификации ДНК in vitro, известный как полимеразной цепной реакции (ПЦР), которая произвела революцию в химических процессах, используемых в лаборатории для управления им. ПЦР можно использовать для синтеза определенных фрагментов ДНК и сделать возможным секвенирование ДНК организмов, что привело к огромному проект генома человека.

Один из учеников Полинга решил важную часть головоломки с двойной спиралью. Мэтью Мезельсон и Франк Шталь, результат их сотрудничества (Эксперимент Мезельсона – Шталя) был назван «самым красивым экспериментом в биологии».

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

Конец 20 века

Бакминстерфуллерен, C₆₀

В 1970 г. Джон Попл разработал Гауссовский программа значительно облегчает вычислительная химия расчеты.^[96] В 1971 г. Ив Шовен предложили объяснение механизма реакции метатезис олефинов реакции.^[97] В 1975 г. Карл Барри Шарплесс и его группа открыли стереоселективные окисление реакции в том числе Эпоксидирование по методу Sharpless,^[98][99] Асимметричное дигидроксилирование Шарплесса,^{[100][101][102]} и Оксиаминирование по методу Sharpless.^{[103][104][105]}В 1985 г. Гарольд Крото, Роберт Керл и Ричард Смолли обнаруженный фуллерены, класс больших молекул углерода, внешне напоминающих геодезический купол разработан архитектором Р. Бакминстер Фуллер.^[106] В 1991 г. Сумио Иидзима использовал электронная микроскопия открыть 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 нанотехнологии.^[107] В 1994 г. К. К. Николау со своей группой ^[108][109] и Роберт А. Холтон и его группа достигли первого полный синтез таксола.^{[110][111][112]} В 1995 г. Эрик Корнелл и Карл Виман произвел первый Конденсат Бозе – Эйнштейна, вещество, проявляющее квантово-механические свойства в макроскопическом масштабе.^[113]

Математика и химия

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.

Сфера химии

По мере развития понимания природы материи происходило и самопонимание 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. (Видеть Философия химии)

Химическая индустрия

Во второй половине девятнадцатого века резко возросла эксплуатация нефть извлечены из земли для производства множества химикатов и в значительной степени заменили использование китовый жир, каменноугольная смола и военно-морские магазины использовался ранее. Масштабное производство и очистка нефти предоставил сырье для жидкое топливо Такие как бензин и дизель, растворители, смазочные материалы, асфальт, воск, а также для производства многих распространенных в современном мире материалов, таких как синтетические волокна, пластмассы, краски, моющие средства, фармацевтические препараты, клеи и аммиак так как удобрение и для других целей. Многие из них требовали новых катализаторы и использование химическая инженерия для их рентабельного производства.

В середине двадцатого века контроль электронной структуры полупроводник материалы были уточнены путем создания больших слитков исключительно чистых монокристаллов кремний и германий. Точный контроль их химического состава за счет допирования другими элементами сделал производство твердотельного транзистор в 1951 году и сделал возможным производство крошечных интегральные схемы для использования в электронных устройствах, особенно компьютеры.

Смотрите также

Истории и сроки

Известные химики

перечислены в хронологическом порядке:

Примечания

Рекомендации

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

дальнейшее чтение

• 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. Дои:10.1080/00026980.2017.1434970. PMID 29448901.
• Сервоприводы, Джон В., Физическая химия от Оствальда до Полинга: создание науки в Америке, Принстон, Нью-Джерси: Издательство Принстонского университета, 1990. ISBN 0-691-08566-8

Документальные фильмы

• BBC (2010). Химия: изменчивая история.

внешняя ссылка

В Викицитатнике есть цитаты, связанные с: История химии

Викискладе есть медиафайлы по теме История химии.

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