Учение о химическом сродстве и химической связи

 

В древнегреческой натурфилософии возникли чрезвычайно наивные представления о сродстве, которые носили ярко выраженный антропоморфный характер. Веществам, как и людям, приписывались чувства взаимной симпатии и антипатии. У Аристотеля противоположные стихии, например вода и огонь, взаимно проникают друг в друга, сливаются воедино, исчезая в своем слиянии и порождая новые тела. При этом огонь играет роль как бы мужского начала, вода — как бы женского.

 

Алхимики продолжали оставаться в общем на том же уровне, удерживая антропоморфный элемент древних натурфилософов; все тела, по мнению алхимиков, образовывались в результате соединения двух противоположных «начал»: мужского (сульфур) и женского (ртуть). Оба эти начала, по сути дела, были видоизмененными стихиями древних.

 

Но во взглядах алхимиков появилось и кое-что новое: у Аристотеля стихии сливались и растворялись друг в друге. Напротив, у алхимиков «начала» только налагаются одно на другое и не исчезают при этом как таковые. В этом наложении заключена предпосылка будущей атомистики.

 

Нечто сходное с будущим понятием химической связи могло возникнуть лишь позднее, когда в химию стали проникать представления об атомах: ведь химическая связь — это связь между атомами. Соответственно этому новая ступень в истории рассматриваемого учения могла быть достигнута лишь в XVII в., когда Бойль, превращая химию в науку, ввел в нее понятие атома. С этого момента старый антропоморфизм уступил место научной постановке вопроса. Но Бойль, как механист, наделял атомы не химическими, а чисто механическими свойствами. Отсюда связь между атомами мыслилась как простое наложение атомов друг на друга, как их чисто механическое сцепление с помощью разных выступов, крючочков и зазубринок. Представление о связи атомов утратило теперь прежний полярный характер (аналогия с мужским и женским началами) и стало чисто механическим, абстрактным, бескаче-ственным. Основой учения о сродстве и о связи атомов стала механика контакта.

 

Отличное от этого, хотя и столь же механическое представление по данному поводу развил Ньютон. Оставаясь целиком в рамках механики, он объяснял связь частиц в микрокосмосе по аналогии с тем, как связаны тела в макрокосмосе. Ньютон предположил, что химическую связь атомов и самое химическое сродство можно представить также как результат действия центральных сил притяжения. В таком случае естественно отпадала необходимость придумывать у атомов различного рода крючочки. Вместо этого можно было приписать атомам шаровидную форму, подобную небесным телам.

 

Так в ньютонианском естествознании основой учения о сродстве и о связи атомов сделалась механика сил. Это направление дало впоследствии толчок Дальтону, и, по его словам, он пришел к своей атомистике под влиянием идей Ньютона. Механику контакта развивал в XVIII в. применительно к атомам и их соединению между собой Ломоносов. Будучи в этом последователем Бойля, Ломоносов пытался конкретизировать представления о внешней, механической форме атомов, с помощью которых можно было бы объяснять различные физико-химические явления, например процессы растворения одних веществ в других. С этой целью Ломоносов приписывает атомам вид зубчатых колес. Они непрестанно вращаются, так как находятся в тепловом движении, а последнее, по мнению Ломоносова, состоит во вращательном движении корпускул. Два вещества, способных к растворению одно в другом (например, поваренная соль в воде), обладают соответствующей друг другу формой своих зубчиков: размеры их подходят одни к другим; в силу вращательного движения частиц, частицы соли, приходя в соприкосновение с водой, начинают постепенно проникать в нее, захватываясь ее частицами.

 

Напротив, две несмешивающиеся жидкости (например, вода и масло) обладают различными по форме зубчиками, размеры которых не подходят одни к другим. В таком случае вращение корпускул не может привести к проникновению одного вещества в другое.

 

Однако создание механических моделей физико-химических процессов показывает, что вопрос в целом все же еще не вышел за рамки механики и еще фактически не перешел в область собственно химии. Так должно было продолжаться до тех пор, пока не были открыты химические атомы, т. е. пока химики не научились наделять атомы не абстрактными, механическими свойствами, а конкретными, химическими.

 

Впервые это сделал Дальтон. Рассмотрим простейший случай. Дальтон считает, что вода — это соединение атома кислорода с атомом водорода. Оба атома притягиваются друг к другу силами сродства. До соединения каждый атом окружен особой теплородной оболочкой. Притянувшись друг к другу, атомы сливают свои первоначальные оболочки в одну общую и охватываются ею; она-то, эта общая оболочка, и не дает возможности атомам оторваться друг от друга.

 

Следовательно, у Дальтона проблема химической связи фактически даже еще не поставлена. Он только смутно предугадывает ее, ограничиваясь ссылкой на то, что атомы разных элементов соединяются между собой как целые, неделимые частицы, а потому только в простых кратных отношениях.

 

Для того, чтобы развить понятие о качестве применительно к данному явлению (образованию химической связи), необходимо было прежде всего ясно установить, что вопрос о химической связи есть вопрос о порядке последовательности соединения атомов внутри сложной частицы химического соединения, получившей позднее название молекулы.

 

Такого вопроса Дальтон еще даже не ставил. У него атомы просто сбивались в кучу и окружались общей тепловой оболочкой. На вопрос же о том, в каком порядке они размещались внутри этой общей оболочки, Дальтон все равно тогда не мог бы еще ответить. Дело облегчалось еще и тем, что большинство веществ, изученных к началу XIX в., составляли простейшие неорганические соединения; в отношении них вопрос решался как бы сам собой: кислоты и основания естественно было представить так, что вокруг атома окисленного элемента — металла или неметалла, например серы в серной кислоте или азота в азотной, располагаются атомы кислорода.

 

Впервые, причем сразу же с необычайной остротой, вопрос о характере связи между атомами встал в органической химии, как только началось ее развитие. Четыре элемента — углерод, водород, кислород и азот — дают практически бесконечное разнообразие органических веществ. Объяснить подобное разнообразие можно было только тем, что атомы различными способами соединяются между собой. Тем самым логически необходимым делалось введение в науку понятия связи атомов. Этот процесс особенно наглядно можно проследить на примере открытия явления изомерии. Два изомерные вещества качественно различны; однако состоят они из равного числа одних и тех же атомов. Поэтому качественное различие веществ нельзя объяснить в данном случае количественным различием в их химическом составе. Значит, остается только одно: объяснить различие изомеров тем, что их атомы по-разному связаны друг с другом. Других объяснений логика науки дать не в состоянии.

 

Первое искусственное приготовление органического вещества (1828), известное под названием «синтез Велера», свелось именно к превращению одного изомера в другой: аммонийной соли циановой кислоты (вещества неорганического) в мочевину (вещество органическое). Так возник вопрос о химической связи, таково было его первое научное определение.

 

Следует отметить, что органическая химия развивалась в теснейшей связи с химической промышленностью, через практику которой прошли все понятия о химической связи в XIX в. В связи с этим можно напомнить историю синтеза ализарина, на которую ссылается Энгельс.

 

Теперь спрашивается: каким путем химики могли установить, что, например, в винном спирте атомы действительно связаны так, как это показывает его химическая формула? Дело в том, что химические реакции идут совершенно иначе, чем это представлял себе Дальтон. У Дальтона получалось так, что стоит только разорвать общую тепловую оболочку у сложной частицы, и все атомы словно высыпятся из нее подобно горошинкам из стручка. Иначе говоря, приходилось допустить, что при любой химической реакции рвутся сразу все связи между атомами.

 

В действительности же оказалось совсем иначе, а именно, что атомные связи отнюдь не тождественны между собой, а качественно различны; одни из них являются прочными, устойчивыми, другие, напротив, подвижными, изменчивыми; далее оказалось, что это различие носит не абсолютный, а только относительный характер и зависит целиком от внешних условий протекания данной реакции. Обычно в молекуле рвется очень немного межатомных связей (одна или две), остальные же связи сохраняются. Меняя условия реакции, воздействуя на различные части молекулы, т. е. на различные связи между атомами внутри нее, можно точно установить, каким способом и в каком порядке связаны атомы между собой.

 

Такова была первая, чисто качественная характеристика явлений, касающихся химической связи. Впервые был определен и очерчен общий круг этих явлений.

 

Почти одновременно с Дальтоном, в начале XIX в., Берцелиус сделал попытку проникнуть в сущность химической связи и химического сродства. Он считал: каждый атом имеет два неизменных и неодинаковых по величине электрических полюса с противоположным зарядом — плюс и минус, за исключением кислорода, атомы которого целиком электроотрицательны. У разных атомов, например у водорода и кислорода, противоположно заряженные полюса взаимно притягиваются, что приводит к образованию воды. В результате такого взаимного притяжения возникают химические связи между атомами. Следовательно, химическое сродство сводится к электричеству.

 

В этой идее угадывалась сущность явления. Вместе с тем это позволяло шире поставить вопрос о качественной стороне межатомных связей: связь одного и того же атома, например азота, должна быть признана качественно различной в различных его соединениях — в аммиаке и в азотной кислоте: в первом случае азот своим электроотрицательным полюсом соединяется с электроположительным полюсом водорода, во втором же случае азот своим, на этот раз уже электроположительным полюсом, соединяется с электроотрицательным кислородом. Следовательно, две связи у атомов одного и того же элемента (азота) — связь с кислородом и связь с водородом — в качественном отношении столь же противоположны, как и противоположно положительное и отрицательное электричество.

 

Но воззрения Берцелиуса имели свои существенные недостатки. Мысль о неравенстве полюсов у каждого атома противоречила количественным законам Фарадея, касающимся процессов электролиза; идея неизменности электрической природы атома исключала возможность объяснить, как могут два одинаковых атома соединяться между собой, образуя молекулу кислорода или водорода, состоящую из двух одинаковых атомов.

 

По Берцелиусу, одинаковые атомы должны были бы не соединяться, а отталкиваться. Наконец, на место электроположительного атома в молекуле не мог бы становиться электроотрицательный атом. Факты же говорили как раз обратное; например, в трихлоруксусной кислоте электроположительный водород был замещен электроотрицательным хлором, причем общие свойства кислоты заметно не Изменились.

 

В целом теория Берцелиуса, объясняя более или менее удачно явления неорганической Химии, оказывалась абсолютно непригодной в области химии органической. Поэтому должно было наступить ее крушение, что и составило в середине XIX в. вторую химическую революцию. Так обычно говорят историки химии. Но была еще одна более глубокая причина логического порядка, ускользнувшая от внимания многих историков.

 

Дело в том, что как только качественная сторона предмета более или менее оказывается раскрытой, наука переходит к раскрытию его количественной стороны. Так было и в данном случае. В середине XIX в. химики заинтересовались вопросом о том, сколько всех связей может существовать у одного атома; иначе говоря, со сколькими другими атомами он может соединиться одновременно.

 

Но всякий счет предполагает известное отвлечение от ранее уже раскрытой качественной стороны подсчитываемых объектов: определение качества — это только предпосылка, предварительное условие, необходимое для дальнейшего движения научного познания. Когда это условие выполнено, изучаемые объекты мысленно как бы обезличиваются; они выступают теперь лишь как некоторые величины, как совокупности известных единиц и подвергаются затем сравнению между собой своими обезличенными сторонами, короче говоря измеряются или подсчитываются. Такой логический процесс и произошел в химии после Берцелиуса: химики-органики нашли своеобразную единицу для измерения обезличенной химической связи; они определили количественное значение валентности (знач-ности), или, как тогда говорили, атомности у разных элементов, приняв, что у атома водорода она равна единице.

 

Тогда оказалось, что у атомов кислорода она равна двум, у атомов азота в аммиаке — равна трем, у атомов углерода — четырем и т. д. Но для проведения таких измерений химикам пришлось совершенно отвлечься от тех качественных представлений о характере химической связи, которые раньше были высказаны Берцелиусом. Теперь его взгляды только мешали развитию новых количественных представлений о характере химической связи атомов. Например, Берцелиус утверждал, что связи атома углерода с атомами водорода в метане и с атомами кислоты в углекислоте качественно различны, а потому их нельзя сравнивать между собой. Напротив, химики-органики нашли, что с количественной стороны все межатомные связи совершенно одинаковы: независимо от того, соединяется ли углерод с водородом или с кислородом, он остается всегда четырехзначным. В метане он связан с четырьмя однозначными атомами водорода, в углекислоте с двумя двухзначными атомами кислорода, а, например, в формалине — с одним атомом кислорода и двумя атомами водорода. Значит, заключили химики, важно не то, с какими именно качественно различными атомами связан углерод, а лишь то, сколько единиц валентности он способен насытить.

Эту сторону отразил Каупер своими обезличенными валентными черточками, которыми в химических формулах одинаковым образом выражались любые химические связи. То же, но только в менее удобной форме, выразил и Кекуле своими формулами. В соответствии с этим формула воды приобретала простой и ясный вид: Н—О—И. Так же очень легко устранялось прежнее затруднение с образованием простых молекул; два атома водорода насыщали взаимно каждый свою единицу валентности: II—Н. То же самое для молекулы кислорода: О—О. На этой основе стали возрождаться старые модели химической связи. Только теперь вместо крючочков между атомами ставили черточку.

 

Дальнейшее исследование выдвинуло новый момент количественной характеристики связи, а именно вопрос о пространственной направленности валентных сил. Решающее значение здесь имело создание Вант-Гоффом тетраэдрической модели соединений углерода. Силы сродства в ней направлены из центра тетраэдра, где находится сам атом углерода, к его четырем вершинам. Подобно тому, как явление обычной изомерии выдвинуло вопрос о связи атомов в его общем виде, так и в данном случае вопрос о связи атомов в пространстве был вызван открытием особого рода оптической, или геометрической, изомерии. Тем самым химики раскрыли обе основные формы количественной определенности изучаемого объекта: числовую и пространственную.

 

Как раз в это же самое время махисты начали борьбу против признания объективной реальности материи и ее частиц, против объективной реальности пространства, как одной из основных форм бытия. В противовес им Лепин указывал в начале XX в., что естествознание в 70-х годах XIX в. искало и находило атомы вещества в пространстве с тремя измерениями. Открытие Вант-Гоффа является живой иллюстрацией к этим ленинским словам.

 

Но химия не могла остановиться на одной только количественной стороне изучаемого явления. Чем глубже и полнее химия раскрывала ее, тем яснее становилось, что эта, казалось бы, чисто количественная сторона химической связи содержит в себе свою противоположность — игнорируемую качественную сторону и переходит в нее, как только химики пытаются «чересчур крепко» ухватиться за количественную сторону, т. е. настаивать на ней в одностороннем порядке. Попытки вернуться в XIX в. к старым моделям Бойля или Ньютона должны были поэтому оказаться несостоятельными. Уже Бутлеров показал, что химическое «поведение» атома внутри молекулы, следовательно качественная характеристика связей между атомами, целиком зависит от того, с какими другими атомами непосредственно и опосредованно связан данный атом. В спиртах атомы водорода различаются по своим химическим свойствам, и это зависит от того, связаны ли они с углеродом непосредственно или через атом кислорода, как это имеет место в гидроксиле.

 

Еще полнее эту идею развил Марковииков.

 

В то же время Менделеев в своей периодической системе элементов обнаружил, что существует прямая противоположность в изменении максимальной валентности у элементов в их соединениях с кислородом и водородом: первая закономерно растет в рядах системы от 1 до 7, вторая, начиная от группы углерода, также закономерно падает от 4 до 1; сумма обоих зпачений валентностей у каждого элемента остается неизменной, равной 8. Хотя сам Менделеев был врагом электрохимического учения Берцелиуса, но, по сути дела, этим своим открытием он дал новый толчок к возрождению идеи о существовании качественного различия между валентностями элемента, т. е. между его связями с кислородом и водородом. Это различие позднее Аббег выразил в сопряженных понятиях валентности и контрвалентности, численно дополняющих одна другую до восьми.

 

Так подготовлялся возврат к количественному пониманию химической связи, но на более высокой базе.

 

Но особенно сильный толчок к тому, чтобы в понятие валентности включить качественный момент, игнорируемый до тех пор химиками-органиками, дало создание Аррениусом теории электролитической диссоциации (1885— 1887) с ее центральным понятием иона. За черточкой, соединяющей атомы в химической структурной формуле, появились снова электрические заряды. История повторилась; так же, как черточка была известным возвратом на новой основе к моделям Бойля и Ньютона с их идеей о бескачественном характере связи между атомами, так ионная связь явилась таким же возвратом в известном смысле к идеям Берцелиуса об электрополяриом характере связи атомов.

 

В целом учение о веществе развивалось так, что представление о полярном различии между связуемыми элементами постоянно чередовалось с представлением об абстрактной тождественности связей между соединяющимися атомами. От Аристотеля до алхимиков был совершен первый тур этого пути, от алхимиков до Берцелиуса — второй тур и от Берцелиуса до Аррениуса — третий его тур, который на высшей основе в общих чертах повторил ход первого и второго туров. Это показывает, что развитие учения о веществе совершалось глубоко противоречивым путем; именно развитие путем противоречий и дает тот спиральный ход познания, о котором писал Энгельс.

 

Возврат к качественной стороне химической связи мог произойти только при установлении ее единства с количественной стороной, ибо качественная сторона раскрывалась теперь не посредством ее отвлечения от количественной стороны, а посредством углубления науки в эту последнюю. Единство обеих сторон ясно отражено в понятии ионной связи: характер электрического заряда иона — плюс у катиона и минус у аниона — выражает качественный момент связи; число зарядов — ее количественный момент — значность, или валентность, иона. Заряд иона отражает оба момента в их внутреннем единстве. Это видно хотя бы на примере ионной формулы воды:

 

Следовательно, и здесь развитие науки привело к раскрытию меры изучаемого объекта: такой его мерой в данном случае оказалась электрополяриая характеристика валентности атомов различных элементов в различных соединениях. Хотя это и не давало еще возможности охватить все типы связей между атомами, но для связей ионного типа мера ее была найдена.

 

Дальнейший ход познания вел непосредственно к раскрытию более глубокой сущности химического сродства и химической связи. Это началось в конце XIX в. в связи с открытием электрона. Заряд иона — отрицательный или положительный — есть, соответственно, приобретение или потеря электронов атомом, говорил Аррениус в 1905 г. в своих лекциях в Беркли. Атом водорода теряет один электрон, атом кислорода приобретает его,— такова основа образования ионных связей атомов в молекуле воды.

 

В итоге для химической связи определенного типа была найдена ее мера.

Категория: Наука и Техника | Добавил: fantast (24.01.2019)
Просмотров: 84 | Рейтинг: 0.0/0