§ 1 М.В. Ломоносов, как основоположник атомно-молекулярного учения
Начиная с XVII века, в науке существовало молекулярное учение, которое использовалось для объяснения физических явлений. Практическое применение молекулярной теории в химии было ограничено тем, что ее положения не могли объяснить сущность протекания химических реакций, ответить на вопрос, как из одних веществ в ходе химического процесса образуются новые.
Решение этого вопроса оказалось возможным на основе атомно-молекулярного учения. В 1741 г. в книге «Элементы математической химии» Михаил Васильевич Ломоносов фактически сформулировал основы атомно-молекулярного учения. Русский учёный-энциклопедист рассматривал строение вещества не как определенную комбинацию атомов, но как сочетание более крупных частиц - корпускул, которые, в свою очередь, состоят из более мелких частиц - элементов.
Терминология Ломоносова со временем претерпела изменения: то, что он называл корпускулами, стали называть молекулами, а на смену термину элемент пришёл термин атом. Однако суть высказанных им идей и определений блестяще выдержала испытание временем.
§ 2 История развития атомно-молекулярного учения
История развития и утверждения в науке атомно-молекулярного учения оказалась очень непростой. Работа с объектами микромира вызывала огромные трудности: атомы и молекулы было невозможно увидеть и, таким образом, убедиться в их существовании, а попытки измерения атомных масс нередко заканчивались получением ошибочных результатов. Через 67 лет после открытия Ломоносова, в 1808 году, известный английский учёный Джон Дальтон выдвинул атомную гипотезу. Согласно ей, атомы представляют собой мельчайшие частицы вещества, которые невозможно разделить на составные части или превратить друг в друга. По Дальтону, все атомы одного элемента имеют совершенно одинаковый вес и отличаются от атомов других элементов. Соединив учение об атомах с учением о химических элементах, разработанным Робертом Бойлем и Михаилом Васильевичем Ломоносовым, Дальтон обеспечил прочный фундамент для дальнейших теоретических исследований в химии. К сожалению, Дальтон отрицал существование молекул у простых веществ. Он считал, что из молекул состоят только сложные вещества. Это не способствовало дальнейшему развитию и применению атомно-молекулярного учения.
Условия для распространения идей атомно-молекулярного учения в естествознании сложились лишь во второй половине XIX века. В 1860 году на Международном съезде естествоиспытателей в немецком городе Карлсруэ были приняты научные определения атома и молекулы. Учения о строении веществ тогда ещё не было, поэтому было принято положение о том, что все вещества состоят из молекул. Считалось, что простые вещества, например металлы, состоят из одноатомных молекул. Впоследствии такое сплошное распространение принципа молекулярного строения на все вещества оказалось ошибочным.
§ 3 Основные положения атомно-молекулярного учения
1.Молекула - наименьшая часть вещества, сохраняющая его состав и важнейшие свойства.
2.Молекулы состоят из атомов. Атомы одного элемента сходны друг с другом, но отличаются от атомов других химических элементов.
В развитие атомно-молекулярного учения большой вклад внесли М. В. Ломоносов, Дж. Дальтон, А. Лавуазье, Ж. Пруст, А. Авогадро, Й. Берцелиус, Д. И. Менделеев, А. М. Бутлеров. Первый определил химию как науку М. В. Ломоносов. Ломоносов создал учение о строении вещества, заложил основу атомно-молекулярной теории. Оно сводится к следующим положениям:
1. Каждое вещество состоит из мельчайших, далее физически неделимых частиц (Ломоносов называл их корпускулами, впоследствии они были названы молекулами).
2. Молекулы находятся в постоянном, самопроизвольном движении.
3. Молекулы состоят из атомов (Ломоносов назвал их элементами).
4. Атомы характеризуются определенным размером и массой.
5. Молекулы могут состоять как из одинаковых, так и различных атомов.
Молекула - это наименьшая частица вещества, сохраняющая его состав и химические свойства. Молекула не может дробиться дальше без изменения химических свойств вещества. Между молекулами вещества существует взаимное притяжение, различное у разных веществ. Молекулы в газах притягиваются друг к другу очень слабо, тогда как между молекулами жидких и твердых веществ силы притяжения относительно велики. Молекулы любого вещества находятся в непрерывном движении. Этим явлением объясняется, например, изменение объема веществ при нагревании.
Атомами называются мельчайшие, химически неделимые частицы, из которых состоят молекулы. Атом - это наименьшая частица элемента, сохраняющая его химические свойства. Атомы различаются зарядами ядер, массой и размерами. При химических реакциях атомы не возникают и не исчезают, а образуют молекулы новых веществ. Элемент следует рассматривать как вид атомов с одинаковым зарядом ядра.
Химические свойства атомов одного и того же химического элемента одинаковы, такие атомы могут отличаться только массой. Разновидности атомов одного и того же элемента с различной массой, называются изотопами. Поэтому, разновидностей атомов больше, чем химических элементов.
Необходимо различать понятия "химический элемент" и "простое вещество".
Вещество - это определенная совокупность атомных и молекулярных частиц в любом из трех агрегатных состояний.
Агрегатные состояния вещества - состояние вещества, характеризующееся определенными свойствами (способность сохранять форму, объем).
Выделяют три основных агрегатных состояния: твёрдое тело, жидкость и газ. Иногда не совсем корректно к агрегатным состояниям причисляют плазму. Существуют и другие агрегатные состояния, например, жидкие кристаллы или конденсат Бозе - Эйнштейна.
Химический элемент - это общее понятие об атомах с одинаковым зарядом ядра и химическими свойствами.
Физических свойств, характерных для простого вещества, химическому элементу приписать нельзя.
Простые вещества - это вещества, состоящие из атомов одного и того же химического элемента. Один и тот же элемент может образовывать несколько простых веществ.
Современное изложение основных положений атомно-молекулярного учения:
1. Все вещества состоят из атомов.
2. Атомы каждого вида (элемента) одинаковы между собой, но отличаются от атомов любого другого вида (элемента).
3. При взаимодействии атомов образуются молекулы: гомоядерные (при взаимодействии атомов одного элемента) или гетероядерные (при взаимодействии атомов разных элементов).
4. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических - разрушаются; при химических реакциях атомы в отличие от молекул сохраняются.
5. Химические реакции заключаются в образовании новых веществ из тех же самых атомов, из которых состоят первоначальные вещества.
Исключительное значение для развития химии имело атомно-молекулярное учение, колыбелью которого является Древняя Греция. Атомистика древнегреческих материалистов отделена от нас 25-ве-ковым периодом, однако, логика греков поражает настолько, что философское учение о дискретном строении материи, развитое ими, невольно сливается в сознании с нашими сегодняшними представлениями. Как же зародилась атомистика? Основным научным методом древнегреческих философов являлись дискуссия, спор. Для поиска “первопричин” в спорах обсуждались многие логические задачи, одной из которых являлась задача о камне: что произойдет, если начать его дробить?
Большинство философов считало, что этот процесс можно продолжать бесконечно. И только Левкип (500--440 до н.э.) и его школа утверждали, что этот процесс не бесконечен: при дроблении, в конце концов, получится такая частица, дальнейшее деление которой будет просто невозможно. Основываясь на этой концепции, Левкипп утверждал: материальный мир дискретен, он состоит из мельчайших частиц и пустоты. Ученик Левкиппа Демокрит (460--370 до н. э.) назвал мельчайшие частицы “неделимые”, что по-гречески значит “атом”. Это название мы используем и сегодня. Демокрит, развил новое учение -- “атомистику”, приписал атомам такие “современные” свойства, как размер и форму, способность к движению.
Последователь Демокрита Эпикур (342--270 до н. э.) придал древнегреческой атомистике завершенность, предположив, что у атомов существует внутренний источник движения, и они сами способны взаимодействовать друг с другом. Все положения древнегреческой атомистики выглядят удивительно современно, и нам они, естественно, понятны. Ведь любой из нас, ссылаясь на опыт науки, может описать множество интересных экспериментов, подтверждающих справедливость любой из выдвинутых концепций. Но совершенно непонятны они были 20--25 веков назад, поскольку никаких экспериментальных доказательств, подтверждающих справедливость своих идей, древнегреческие атомисты представить не могли. Итак, хотя атомистика древних греков и выглядит удивительно современно, ни одно из ее положений в то время не было доказано. Следовательно ”атомистика, развитая Левкиппом, Демокритом и Эпикуром, была и остается просто догадкой, смелым предположением, философской концепцией, но подкрепленной практикой. Это привело к тому, что одна из гениальных догадок человеческого разума постепенно была предана забвению.
Были и другие причины, из-за которых учение атомистов было надолго забыто. К сожалению, атомисты не оставили после себя систематических трудов, а отдельные записи споров и дискуссий, которые были сделаны, лишь с трудом позволяли составить правильное представление об учении в целом. Главное же заключается е том, что многие концепции атомистики были еретичны и официальная церковь не могла их поддерживать.
Об учении атомистов не вспоминали почти 20 веков. И лишь в XVII в. Идеи древнегреческих атомистов были возрождены благодаря работам французского философа Пьера Гассенди (1592--1655 гг.). Почти 20 лет он потратил; чтобы восстановить и собрать воедино забытые концепции древнегреческих философов, которые он подробно изложил в своих трудах “С) жизни, нравах и учении Эпикура” и “Свод философии Эпикура”. Эти две книги, в которых воззрения древнегреческих материалистов впервые были изложены систематически, стали “учебником” для европейских ученых и философов. До этого единственным источником, дававшим информацию о воззрениях Демокрита - Эпикура, была поэма римского поэта Лукреция “О природе вещей”. История науки знает немало удивительных совпадений. Вот одно из них: возрождение древнегреческой атомистики совпадает по времени с установлением Р. Бойлем (1627--1691 гг.) фундаментальной закономерности, описывающей изменения объема газа от его давления. Качественное объяснение фактом, наблюдаемых Бойлем, может дать только атомистика: если газ имеет дискретное строение, т. е. состоит из атомов и пустоты, то легкость его сжатия обусловлена сближением атомов в результате уменьшения свободного пространства между ними. Первая робкая попытка применения атомистики для объяснения количественно наблюдаемых явлений природы позволяет сделать два очень важных вывода:
- 1. Превратившись из философской гипотезы в научную концепцию, атомистика может стать мощным инструментом, позволяющим давать единственно правильную трактовку самым разнообразным явлениям природы.
- 2. Для скорейшего превращения атомистики из философской гипотезы в научную концепцию доказательство существования атомов необходимо, прежде всего, искать при изучении газов, а не жидких и твердых веществ, которыми до этого занимались химики. Однако пройдет еще около 100 лет, прежде чем химики вплотную займутся исследованием газов. Тогда-то и последует каскад открытий простых веществ: водород, кислород, азот, хлор. А несколько позже газы помогут установить те законы, которые принято называть основными законами химии. Они и позволят сформулировать основные положения атомно-молекулярного учения.
1. Существуют вещества молекулярного и немолекулярного строения.
2. У веществ молекулярного строения в твердом состоянии в узлах кристаллических решеток находятся молекулы.
3. У веществ немолекулярного строения в узлах кристаллических решеток находятся ионы или атомы.
4. Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества и его температуры. Наибольшие расстояния существуют между молекулами газов, поэтому газы легко сжимаются. В твердых веществах промежутки между частицами наименьшие, и соответственно эти вещества почти не подвержены сжатию.
5. Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость их движения зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения возрастает.
6. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических - разрушаются.
7. Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движении. Одной из форм движения атомов является химическая реакция.
8. Атомы одного элемента отличаются от атомов другого элемента размером, массой и свойствами.
9. Атомы при химических реакциях сохраняются.
10. Химическая реакция – это образование новых веществ из тех же атомов, из которых состояли исходные вещества.
Мы уже знаем,что многие вещества состоят из молекул, а молекулы - из атомов. Сведения об атомах и молекулах объединяются в атомно-молекулярное учение. Вам известно, что основные положения этого учения были разработаны великим русским ученым М. В. Ломоносовым. С тех пор прошло более двухсот лет, учение об атомах и молекулах получило дальнейшее развитие. Так, например, теперь известно, что не все вещества состоят из молекул. Большинство твердых веществ, с которыми мы встретимся в неорганической химии, имеют немолекулярное строение.
Однако относительные молекулярные массы вычисляются как для веществ с молекулярным, так и для веществ с немолекулярным строением. Для последних понятия "молекула" и "относительная молекулярная масса" употребляют условно.
Основные положения атомно-молекулярного учения можно сформулировать так:
1. Существуют вещества с молекулярным и немолекулярным строением.
2. Между молекулами имеются промежутки, размеры которых зависят от агрегатного состояния вещества и температуры. Наибольшие расстояния имеются между молекулами газов. Этим объясняется их легкая сжимаемость. Труднее сжимаются жидкости, где промежутки между молекулами значительно меньше. В твердых веществах промежутки между молекулами еще меньше, поэтому они почти не сжимаются.
3. Молекулы находятся в непрерывном движении. Скорость движения молекул зависит от температуры. С повышением температуры скорость движения молекул возрастает.
4. Между молекулами существуют силы взаимного притяжения и отталкивания. В наибольшей степени эти силы выражены в твердых веществах, в наименьшей - в газах.
5. Молекулы состоят из атомов, которые, как и молекулы, находятся в непрерывном движений.
6. Атомы одного вида отличаются от атомов другого вида массой и свойствами.
7. При физических явлениях молекулы сохраняются, при химических, как правило, разрушаются.
8. У веществ с молекулярным строением в твердом состоянии в узлах кристаллических решеток находятся молекулы. Связи между молекулами, расположенными в узлах кристаллической решетки, слабые при нагревании разрываются. Поэтому вещества с молекулярным строением, как правило, имеют низкие температуры плавления.
9. У веществ с немолекулярным строением в узлах кристаллических решеток находятся атомы или другие частицы. Между этими частицами существуют сильные химические связи, для разрушения которых требуется много энергии.
Задание
1. Выберите слайд с одним из положений Атомно-молекулярного учения. Подберите иллюстрации и примеры из жизни, доказывающие это положение.
Сроки выполнения: 25.01- 30.01.162. Оцените следующий после вашего слайд по следующим критериям:
1. Наличие иллюстрации, соответствующей данному положению. 0-1б
2. Подобранные факты доказывают данное положение. 0-1б
3. Материал изложен доступным языком. 0-1б
4. Эстетическое оформление (иллюстрация хорошего качества, текст читаем). 0-1б
