Химия во второй половине XIX в

Для данного периода характерно стремительное развитие науки: были созданы периодическая система элементов, теория химического строения молекул, стереохимия, химическая термодинамика и химическая кинетика; блестящих успехов достигли прикладная неорганическая химия и органический синтез. В связи с ростом объёма знаний о веществе и его свойствах началась дифференциация химии — выделение её отдельных ветвей, приобретающих черты самостоятельных наук.

Одной из важнейших задач химии второй половины XIX века стала систематизация химических элементов. Создание Периодической системы стало результатом длительного эволюционного процесса, который начался с закона триад, предложенного И. В. Дёберейнером в 1829 году. Выявленная им несомненная взаимосвязь между свойствами элементов и их атомными массами была развита Л. Гмелиным, показавшим, что эта взаимосвязь значительно сложнее, нежели триады. Ж. Дюма и М. фон Петтенкофер предложили дифференциальные системы, направленные на выявление закономерностей в изменении атомного веса элементов, которые были развиты А. Штреккером. В середине 1860-х У. Одлинг, А. Э. Бегуйе де Шанкуртуа, Дж. Ньюлендс и Л. Мейер предложили несколько вариантов таблиц, в которых уже явственно прослеживается периодичность свойств элементов.

В 1869 году Д. И. Менделеев опубликовал первый вариант своей Периодической таблицы и сформулировал Периодический закон химических элементов. Менделеев не просто констатировал наличие взаимосвязи между атомными весами и свойствами элементов, но взял на себя смелость предсказать свойства нескольких неоткрытых ещё элементов. После того, как предсказания Менделеева блестяще подтвердились, Периодический закон стал считаться одним из фундаментальных законов природы.

Таблица Менделеева 1869 года Периодическая система элементов

Структурная химия

После открытия явления изомерии (Ю. Либих и Ф. Вёлер, 1824), чрезвычайно распространённого в органической химии, стало очевидным, что свойства вещества определяются не только его составом, но и порядком соединения атомов и их пространственным расположением.

В основу решения вопроса о строении органических веществ вначале было положено представления Берцелиуса о радикалах — полярных группах атомов, способных переходить без изменения из одних веществ в другие. Теория сложных радикалов, предложенная Либихом и Вёлером (1832), быстро получила всеобщее признание. Открытие явления металепсии (Ж. Б. Дюма, 1834 год - Действие галоидов на предельные углеводороды на свету), не укладывающегося в электрохимические представления Берцелиуса, повлекло за собой появление теории типов Дюма (1839 год - теория типов сосредоточивала внимание именно на наиболее изменчивых частях молекулы и на причинах, от которых зависит эта изменчивость). Созданная Ш. Жераром и О. Лораном новая теория типов (1852) включила в себя и представления о сложных радикалах, и идеи Дюма о типах молекул, сведя всё разнообразие органических соединений к трём или четырём типам.

Модели органических молекул (А. В. Гофман, 1865)

Теория типов Жерара-Лорана привела к созданию представлений о единицах сродства атомов и радикалов, в результате развития которых появилась теория валентности (Ф. А. Кекуле фон Штрадониц, 1857 год - Согласно этой теории, проявление сродства обязано действию электростатических сил), ставшая основой для создания А. М. Бутлеровым его теории химического строения молекул. Простые и наглядные представления Кекуле и Бутлерова позволили дать объяснение многим экспериментальным фактам, касающихся изомерии органических соединений и их реакционной способности. Большое значение для развития системы структурных формул имело установление циклического строения молекулы бензола (Кекуле, 1865 год).

Важным этапом развития структурной химии стало создание стереохимии, описывающей пространственное строение молекул. В 1874 году голландский химик Я. Г. Вант-Гофф предложил теорию асимметричного атома углерода, которая удачно объясняла явление оптической изомерии, открытое в 1832 году Берцелиусом, и существование энантиомеров (Энантиомеры — пара стереоизомеров, представляющих собой зеркальные отражения друг друга, не совмещаемые в пространстве. Классической иллюстрацией двух энантиомеров могут служить ладони, имеющие одинаковую структуру, но различную пространственную ориентацию), обнаруженных в 1848 году Л. Пастером.

На протяжении почти всего XIX века структурные представления оказались востребованы, прежде всего, в органической химии. Лишь в 1893 году А. Вернер создал теорию строения комплексных соединений, которая распространила эти представления на неорганические соединения, существенно расширив понятие о валентности элементов.

Физическая химия

В середине XIX века начала стремительно развиваться пограничная область науки — физическая химия. В отечественной историографии науки считается, что начало ей положил ещё М. В. Ломоносов, дав определение и введя само наименование этой дисциплины в научный тезаурус. Предметом изучения физической химии стали химические процессы — скорость, направление, сопровождающие их тепловые явления и зависимость этих характеристик от внешних условий.

Изучение тепловых эффектов реакций начал А. Л. Лавуазье, сформулировавший совместно с П. С. Лапласом первый закон термохимии. В 1840 году Г. И. Гесс открыл основной закон термохимии («закон Гесса»). М. Бертло и Ю. Томсен в 1860-е годы сформулировали «принцип максимальной работы» (принцип Бертло — Томсена), позволивший предвидеть принципиальную осуществимость химического взаимодействия. Согласно принципу Бертло - Томсена самопроизвольно протекают те процессы (с образованием тех продуктов), которые сопровождаются выделением наибольшего количества энергии.

Важнейшую роль в создании представлений о химическом сродстве и химическом процессе сыграли термодинамические исследования середины XIX века. Объектом изучения химической термодинамики стало, прежде всего, состояние химического равновесия, впервые описанное А. У. Уильямсоном в 1850 году и изученное Г. Розе, Р. В. Бунзеном, А. Э. Сент-Клер Девилем, М. Бертло и другими исследователями.

В 1867 году К. М. Гульдберг и П. Вааге открыли закон действующих масс. Представляя равновесие обратимой реакции как равенство двух сил сродства, действующих в противоположных направлениях, они показали, что направление реакции определяется не массами веществ (как предполагал в начале века К. Л. Бертолле), а произведением действующих масс (концентраций) реагирующих веществ. Теоретическое рассмотрение химического равновесия выполнили Дж. У. Гиббс (1874—1878), Д. П. Коновалов (1881—1884) и Я. Г. Вант-Гофф (1884). Вант-Гофф сформулировал также принцип подвижного равновесия, который обобщили позже А. Л. Ле Шателье и К. Ф. Браун. Создание учения о химическом равновесии стало одним из главных достижений физической химии XIX века, имевшим значение не только для химии, но и для всего естествознания.

В 1850-е годы с работ Л. Ф. Вильгельми начались систематические исследования скорости химических реакций, которые привели к созданию в 1880-е годы основ формальной кинетики (Я. Г. Вант-Гофф, В. Оствальд, С. А. Аррениус). В 1890-х годах Оствальд опубликовал также серию ставших классическими работ по исследованию каталитических процессов.

Важным достижением физической химии в XIX веке стало создание учения о растворах. Альтернативные физическая и химическая теории растворов развились из представлений Берцелиуса, считавшего растворы механическими смесями, при образовании которых не действуют силы химического сродства, и Бертолле, рассматривавшего растворы как нестехиометрические соединения (химически индивидуальные вещества переменного состава). Физическая теория достигла существенных успехов в количественном описании некоторых свойств растворов (1-й и 2-й законы Ф. М. Рауля, осмотический закон Я. Г. Вант-Гоффа, теория электролитической диссоциации С. А. Аррениуса).