Общая и неорганическая химия

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      В деле обучения химии учащихся средней школы очень большое значение имеет подготовка по этому предмету самого учителя, его научный кругозор.
      В настоящее время основными источниками для пополнения знаний учителей по химии служат учебники химии для высших учебных заведений. В этих учебниках не всегда уделяется достаточное внимание ознакомлению учащихся с историей и методологией химических открытий, с конкретным вкладом отечественных ученых в химическую науку, с моментами антирелигиозного воспитания, с применениями химии на практике, в особенности в сельском хозяйстве, со связью химии с историей культуры и другими научными дисциплинами.
      С другой сторонй, учебники для высших учебных заведений чрезмерно перегружены фактическим материалом, не представляющим для учителя достаточного интереса.
      Учитывая это, автор сделал попытку написать книгу по общей и неорганической химии для учителя, которая в большей степени учитывала бы его нужды, доставила бы ему материал для подготовки уроков и вместе с тем способствовала бы расширению его научного кругозора.
      Курсы химии, предназначенные для образования специалистов той или другой Ьтрасли промышленности, соббщают студентам лишь достижения химии в готовом виде: берите их и пользуйтесь ими. Столь же естественно, что учащимся средней школы следует прививать вкус к химическому научному исследованию, знакомя их с методами химии на примерах решения последовательно возникавших перед нею проблем. Здесь история химии, включая сюда и историю решения кардинальных проблем, определяющих весь ход ее дальнейшего развития и маленьких частных задач, приобретает самостоятельное воспитательное значение. Думается, что это окажет пользу не только новому поколению хими-ков-исследователей, числящихся. сейчас учащимися средней школы. Какую бы ни взять отрасль, науки, путь ее один: сначала факты, потом попытки истолкования их, сначала несовершенные, потом все более совершенные, все глубже проникающие сквозь внешнюю видимость явлений: в их скрытую от непосредственного наблюдения сущность.
      Вот почему в этой книге уделено особое внимание экскурсам в историю химии, как науки, воспроизводящей в «классической» форме этот процесс развития всех наук.
      Книга состоит из трех частей: теоретические основы химии, неметаллы и металлы. В первой части излагаются атомистика и учение о химической кинетике и химической энергетике. Изложение здесь ведется, в основном, в историческом плане путем показа того, как возникали, сменялись и развивались теории химической науки, с обрисовкой общественно-исторической обстановки, в которой осуществлялись ее важнейшие преобразования, и с приведением биографических сведений о важнейших ее деятелях. Возвращаясь и в последующем при изложении химии неметаллов и металлов к историческим справкам об открытии важнейших элементов и важнейших соединений их, автор старался вскрыть логику развития химии, борьбу за внедрение материалистических идей в науке и роль отечественных ученых в ее развитии.
      Последовательность изложения неорганической химии, с одной стороны, подсказана последовательностью изучения элементов в средней школе, с другой стороны — «длинным» вариантом периодической системы Д. И, Менделеева, использованным в таблице Томсена-Бора, что дает возможность проследить строго закономерное изменение свойств. элементов в длинных периодах, минуя ту путаницу, которая получается при изложении химии элементов побочных групп тотчааслед за главными группами.
      Химия не может изучаться как узкая, замкнутая в себе наука о какой-то отдельно рассматриваемой форме движения материи. Ею пользуются и другие науки; неизмеримо велика и роль ее в практике; широко распростирает она руки в «дела человеческие» — в. промышленность, энергетическое хозяйство, в сельское хозяйство. В меру возможности и эта сторона химии освещается здесь, в частности, в связи с проблемой политехнизации; но применение законов и теорий химии в связи со спецификой химических реакций для массового производства нужных нам веществ — это предмет особой науки, химической технологии. Проблемы этой науки освещаются Институтом методов обучения АПН особо, в трудах проф. Д. А. Эпштейна.
      Автор выражает глубокую благодарность С. Г. Шаповаленка, Д. А. Эпштейну и П. А. Глориозову за их ценные советы и отмечает вместе с тем помощь, оказанную ему безвременно умершим Л. М. Сморгонским.
      Ю. ХОДАКОВ
     
      ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ, ПОНЯТИЯ и ТЕОРИИ ХИМИИ
     
      ПРЕДМЕТ И МЕТОД ХИМИИ
      Предмет химии. Мир противостоит нашему сознанию как объективно, вне нашего сознания существующая материя. Согласно классическому определению В. И. Ленина, «материя есть философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них»1.
      Естествознание имеет дело с разнообразными конкретными формами материи: физическими телами, растениями, минералами, космическими телами и т. д.; к числу этих форм, в частности, относятся вещества, поскольку они реально существуют, а не являются плодами воображения, подобно алхимическому «философскому камню» или флогистону.
      Материя находится в постоянном движении — изменении, преобразовании, развитии. Как нет движения без того, что движется, т. е. без материи, так нет материи мертвой, .косной, лишенной движения. Движение есть форма существования материи.
      Под движением в марксистско-ленинской философии подразумевается не только перемещение тел в пространстве. Этим понятием обнимаются все изменения, происходящие во вселенной, начиная с низшей формы движения — простого перемещения в пространстве, продолжая физическими процессами и химическими реакциями и далее — жизненными процессами и мышлением.
      Вследствие многообразия конкретных форм материи и конкретных форм движения произошло расчленение познания природы на отдель- . ные, но теснейшим образом связанные одна с другой научные дисциплины. Предметом исследования каждой из них стал и свой вид материи и свои формы ее движения. Так возникла механика, наука о телах и их взаимодействиях, связанных преимущественно с простейшей формой движения — перемещением в пространстве: поступательным движением, вращением и т. п. Так возникла и химия, наука о веществах и их взаимодействиях, проявляющихся в специфической форме движения — химических реакциях. Таким образом, химия Оформилась в науку об одном Из видов материи — веществах и одном из видов движения материи — химических реакциях.
      Место химии среди других наук о природе. Различные формы движения материи не только сосуществуют, но и порождают одна другую, превращаются одна в другую. Так, механическое движение, например, в форме трения порождает в одних случаях теплоту, свет (метеоры), электричество (электростатические машины, грозы), в других — прямо или косвенно — химические реакции. Например, хлорид серебра может быть разложен на серебро и хлор длительным растиранием в ступке. Качественное многообразие и взаимосвязь различных форм движения позволяют их классифицировать. Механическое движение — перемещение масс в пространстве представляет собой первичную наипростейшую форму движения. Следующая в порядке усложнения форма движения — физические процессы. Они связаны с механическим движением, но не сводятся только к механическому движению. В свою очередь химическая форма движения материи — химические реакции включают в себя механическое движение (например, перемещение электронов от одних атомов к другим) и сопровождаются физическими процессами — выделением или поглощением тепла, света, электроэнергии, ногмические реакции не сводимы лишь к физическим формам движения.
      Точно так же органическая форма движения — жизнь, как и порожденное ею мышление, будучи невозможна без механических, химических и т. п. изменений, не исчерпывается ими, а представляет новую, качественно отличную форму движения материи.
      «Мы, несомненно, «сведем» когда-нибудь экспериментальным путем мышление к молекулярным и химическим движениям в мозгу; но разве этим исчерпывается сущность мышления?» — спрашивает Энгельс.1
      Приведенная классификация и соподчинение форм движения объективны, так как они отображают объективное развитие материи от простого к сложному, от низших форм к высшим. Классификация форм движения материи является вместе с тем классификацией исследующих их наук. Согласно этой классификации, химия занимает место между физикой и биологией. Энгельс выразил переход одной из этих наук в другую (как существующую между Ними связь, непрерывность, так и различие, дискретность), назвав физику механикой молекул, химию — физикой атом;а, а биологию — химией белков.
      Историей развития химии это — промежуточное между физикой и биологией — положение химии подтверждается возникновением на обеих гранях ее соприкосновения таких промежуточных дисциплин, как физическая химия и биологическая химия.
      Так как каждая высшая форма движения необходимо включает в себя низшие формы его, исследующая ее наука опирается на науки, изучающие низшие формы движения. Необходимость опираться в решении химических проблем на физические методы исследования и физические теории впервые в истории человеческой мысли была сформулирована М В. Ломоносовым - основоположником физической химии. По его определению, «физическая химия есть наука, объясняющая на основании положений и опытов физики то, что происходит в смешанных телах при помощи химических операций. Она может быть названа химической философией, но в совершенно другом смысле, чем та мистическая философия (алхимия, см. стр. 19 — Ю. X.), где не только не дают объяснений, но даже самые операции производят тайным образом».
      Метод химии. Диалектический процесс познания есть движение «От живого созерцания к абстрактному мышлению и от него к практике .» (Ленин).
      Внешний мир отражается в нашем сознании посредством органов чувств. Живое созерцание его является первоисточником всех наших знаний о нем. В нашем сознании нет ничего, что не прошло бы так или иначе через ощущения: даже такие уродливые порождения человеческого сознания, как вера в .бесплотных духов, представляют собой ложно истолкованные восприятия.
      Из числа наших чувств обоняние и вкус объединяются под названием «химических чувств», так как они предполагают прямое соприкосновение органа чувств с веществом. Остановимся в связи с этим на соответствии между классификацией веществ по вкусу и запаху с химической классификацией. Кислый вкус присущ только одной форме химической материи — ионам гидроксония; но сладкий вкус обнаруживают самые разнообразные формы ее, безотносительно к их химической природе: простые катионы (бериллия, свинца), анионы (например, сахарина) молекулы углеводов. Более тесная связь существует между химической природой веществ и их запахом. Так запах с-еленоводорода неотличим от запаха сероводорода; все галогены имеют запах, причем даже лаборанты по запаху иногда путают бром с йодом. Единственный случай привлечения к распознаванию .веществ слуха — отличение олова по характерному треску при сгибании; и единственный случай определения степени чистоты вещества «на слух» — описанное на стр. 269 старинное испытание серы.
      Через наблюдение мы непосредственно устанавливаем качественные особенности или свойства веществ (цвет, запах, вкус и т. д.), через наблюдения показаний физических измерительных инструментов — доступные численному выражению свойства веществ (удельный вес, точка кипения и плавления) химических реакций (скорость, тепловой эффект и т. д.)1.
      «Живое созерцание» в химии осуществляется, как правило, через наблюдение химических явлений в искусственно созданной обстановке, в форме опыта. В этом смысле химия является экспериментальной наукой.
      Но одного живого созерцания недостаточно, чтобы проникнуть в сущность явлений. Для раскрытия ее мы присоединяем к деятельности чувств деятельность мышления.
      Отправляясь от опыта, «далее, — писал М. В. Ломоносов, — он (химик. — Ю. X.) должен уметь доказывать познанное, т. е. давать ему объяснение, что предполагает философское познание. Отсюда следует, что истинный химик должен быть и теоретиком».
      Через отвлечение и обобщение мы познаем вещи в их связях и отношениях и постигаем законы природы, создаем теории, открывающие возможность предсказывать новые факты и тем самым проверять теорию практикой, опытом. Таким образом, отправляясь от опыта, мы вновь приходим к опыту.
      Не следует думать, что на практике указанные выше ступени познания выступают в расчлененном виде: сначала опыт, наблюдение, а затем мышление.
      «Начинающим изучение опытных наук, — писал Д. И. Менделеев, — необходимо помнить, что построение опыта и приемы определяются основным рассуждением, заключающим в себе принцип.»
     
      1 В Московском институте биофизики было доказано, что вкус любого вещества может быть имитирован с помощью раствора, в котором содержатся в надлежащей концентрации четыре вещества — носителя чисто-соленого, чисто-сладкого, чистогорького и чисто-кислого вкуса, например поваренная соль, сахар, хииа и соляная кислота.
     
      Иначе говоря: каждый исследователь, предпринимая тот или другой опыт, всегда задается какой-либо предвзятой идеей, от которой он ожидает успеха опыта и тем самым подтверждения идеи. Через это и осуществляется прогресс науки: ложные идеи через такое соприкосновение с практикой отметаются, а верные утверждаются и двигают науку вперед.
      Особую роль в развитии химии, как и других естественных наук, имели умозаключения предположительного характера — гипотезы.
      «Формой развития естествознания, поскольку оно мыслит, является гипотеза, — писал Энгельс. — Наблюдение открывает какой-нибудь новый факт, делающий невозможным прежний способ объяснения фактов, относящихся к той же самой группе. С этого момента возникает потребность в новых способах объяснения, опирающегося сперва только на ограниченное количество фактов и наблюдений. Дальнейший опытный материал приводит к очищению этих гипотез, устраняет одни из них, исправляет другие, пока, наконец, не будтустановлен в чистом виде закон. Если бы мы захотели ждать, пока материал будет готов в чистом виде для закона, то это значило бы приостановить до тех пор мыслящее исследование, и уже по одному этому мы никогда не получили бы закона».
      По словам М. В. Ломоносова, «гипотезы . позволительны в предметах философских, и это даже единственный путь, которым величайшие люди успели открыть истины самые важные».
      Поскольку в развитии химии гипотезы играли и играют очень важную роль, химия является не только экспериментальной, но и теоретической наукой.
      Утверждая невозможность знаний, которые не были бы шрямо или косвенно почерпнуты из опыта, основоположник русской химии М. В. Ломоносов писал:
      «Ныне ученые люди, а особливо испытатели натуральных вещей, мало взирают на родившиеся в одной голове вымыслы и пустые речи, но более утверждаются в достоверном искусстве. Мысленные рассуждения произведены бывают из надежных и много раз повторенных опытов».
      Прослеживая историю химии, легко убедиться, что некоторые ее гипотезы переживали два этапа. На первом этапе гипотеза играла прогрессивную роль, она руководила познанием действительности, наталкивая экспериментаторов на открытие фактов. Каждый же вновь открытый факт — это в потенции производство практически ценного продукта, усовершенствование техники производства или новые применения уже производящихся продуктов. В этот период открытия новых фактов приносят гипотезе убедительные подтверждения. Гипотеза обращается в теорию, утверждается все прочнее и вместе с тем укрепляется впечатление, что гипотеза непоколебима.
      Но проходит время, и опытным путем устанавливаются факты, противоречащие гипотезе. Неизбежным результатом назревшего кризиса является крушение господствующей гипотезы и смена ее гипотезой более совершенной, более правильно и точно отображающей объективную природу химических веществ и их превращений. Старая гипотеза не гибнет, однако, бесследно: ее «рациональное зерно» сохраняется в теории, приходящей ей на смену.