Стехиометрия - Рихтер, Фишер, Бертолле, Пруст

В последней трети XVIII в. одной из важнейших была проблема, которая многие века интересовала ученых: химики хотели понять, почему и в каких соотношениях соединяются вещества друг с другом. К этой проблеме проявляли интерес еще греческие философы [6], а во времена Возрождения ученые выдвигали идею о сродстве веществ и даже строили ряды веществ по сродству. Парацельс писал, что ртуть образует с металлами амальгамы, причем для разных металлов с различной скоростью и в такой последовательности: быстрее всего с золотом, затем с серебром, свинцом, оловом, медью и, наконец, медленнее всего с железом. Парацельс считал, что причиной этого ряда химического сродства является не только "ненависть" и "любовь" веществ друг к другу^*. В соответствии с его представлениями металлы содержат серу, и, чем меньше ее содержание, тем чище металлы, а чистота веществ в значительной мере определяет их сродство друг к другу. Г. Шталь объяснял ряд осаждения металлов как результат различного содержания в них флогистона. До последней трети XVIII в. многочисленные исследования были направлены на то, чтобы расположить вещества по величине их "сродства", и многие химики составляли соответствующие таблицы. Для объяснения различного химического сродства веществ выдвигались и атомистические представления, а после того, как в конце XVIII - начале XIX вв. ученые стали понимать влияние электричества на протекание некоторых химических процессов, для этой же цели пытались использовать и представления об электричестве. Основываясь на них, Берцелиус создал дуалистическую теорию состава веществ, в соответствии с которой, например, соли состоят из положительно и отрицательно заряженных "оснований" и "кислот"^**: при электролизе они притягиваются к противоположно заряженным электродам и могут распадаться при этом на элементы вследствие нейтрализации зарядов.

^* (О начальном этапе истории изучения химического сродства см. в [189].- Прим. ред.)

^** (Основаниями Берцелиус в соответствии с традицией, идущей от Лавуазье, называл основные оксиды, а кислотами - ангидриды. Например, Na₂S0₄ он представлял как соединение электроположительного Nа₂О⁺ и электроотрицательного SO₃^-, т.е. Na₂O⁺-SO₃^- (см. [202]).- Прим. ред.)

Со второй половины XVIII в. особенно много внимания ученые стали уделять вопросу: в каких количественных соотношениях взаимодействуют друг с другом вещества в химических реакциях? Уже давно было известно, что кислоты и основания могут нейтрализовать друг друга. Предпринимались также попытки установить содержание кислот и оснований в солях. Т. Бергман и Р. Кирван нашли, что, например, в реакции двойного обмена между химически нейтральными сульфатом калия и нитратом натрия образуются новые соли - сульфат натрия и нитрат калия, которые тоже являются химически нейтральными. Но ни один из исследователей не сделал из этого наблюдения общего вывода. В 1767 г. Кавендиш обнаружил, что количества азотной и серной кислот, нейтрализующие одинаковые количества карбоната калия, нейтрализуют также одинаковое количество карбоната кальция. И. Рихтер первым сформулировал закон эквивалентов (см. ниже)^*, объяснение которому было найдено позднее с позиций атомистической теории Дальтона.

^* (См. также [178, с. 163-164].- Прим. ред.)

Иеремия Вениамин Рихтер (1762-1807)

Иеремия Вениамин Рихтер (1762-1807) - немецкий химик - родился в Гиршберге (Силезия; ныне г. Зелёна-Гура). Изучал математику, естественные науки и философию в Кенигсберге, где работал Иммануил Кант (1724-1804). В книге "Метафизические основы естествознания" (1786) Кант утверждал, что любое учение о природе содержит ровно столько собственно естествознания, сколько в нем математики. В 1789 г. Рихтер написал диссертацию, посвященную использованию математики в химии. Работа в Бреслау в администрации горнодобывающей промышленности, а позднее в лаборатории красок на королевской фарфоровой фабрике в Берлине привела Рихтера к отчетливому пониманию важного значения весовых соотношений для химии. Так же как пифагорейцы и Кеплер, а позднее Менделеев, Рихтер считал, что все в мире устроено "по мере, числу и весу". В работе "Стехиометрия или искусство измерения химических элементов" (1792-1793 гг.) он сформулировал закон нейтрализации, который более известен под названием "закон эквивалентов".

Рихтер установил, что раствор, получающийся при смешении растворов двух химически нейтральных солей, тоже нейтрален. Он провел многочисленные определения количеств оснований и кислот, которые, соединяясь, дают химически нейтральные соли. Рихтер сделал следующий вывод: если одно и то же количество какой-либо кислоты нейтрализуется различными, строго определенными количествами разных оснований, то эти количества оснований эквивалентны и нейтрализуются одним и тем же количеством другой кислоты. Выражаясь современным языком, если к раствору сульфата калия, например, добавить раствор нитрата бария до полного осаждения сульфата бария, то раствор, содержащий нитрат калия, тоже будет нейтрален: K₂SО₄ + Ba(NО₃)₂ = 2KNO₃ + BaSО₄. Следовательно, при образовании нейтральной соли эквивалентны друг другу следующие количества: 2К, 1Ва, 1SО₄ и 2NО₃. Полинг обобщил и сформулировал в современном виде этот "закон соединительных весов" (эквивалентов или эквивалентных пропорций): "Весовые количества двух элементов (или их целочисленные кратные), которые, реагируют с одним и тем же количеством третьего элемента, реагируют друг с другом в тех же количествах" [1].

Вначале работы Рихтера почти не привлекли внимания исследователей, поскольку он пользовался еще терминологией флогистонной теории. Кроме того, полученные ученым ряды эквивалентных весов были недостаточно наглядны, а предложенный им выбор относительных количеств оснований не имел серьезных доказательств. Положение исправил Э. Фишер, который среди эквивалентных весов Рихтера выбрал в качестве эталона эквивалент серной кислоты, приняв его равным 100, и составил, исходя из этого, таблицу "относительных весов" (эквивалентов) соединений. Но о таблице эквивалентов Фишера стало известно только благодаря Бертолле, который, критикуя Фишера, привел эти данные в своей книге "Опыт химической статики" (1803 г.). Бертолле сомневался, что состав химических соединений постоянен. Он имел на это основание. Вещества, которые в начале XIX в. считались чистыми, на самом деле были либо смесями, либо равновесными системами различных веществ, а количественный состав химических соединений во многом зависел от количеств веществ, участвующих в реакциях их образования.

Некоторые историки химии считают, что, подобно Венцелю, Бертолле также предвосхитил основные положения закона действия масс^*, который аналитически выражал влияние количеств взаимодействующих веществ на скорость превращения. Немецкий химик К. Венцель в 1777 г. показал, что скорость растворения металла в кислоте, измеряемая количеством металла, растворившегося за определенное время, пропорциональна "силе" кислоты. Бертолле сделал многое для учета влияния масс реагентов на ход превращения. Однако между работами Венцеля и даже Бертолле, с одной стороны, и точной формулировкой закона действия масс - с другой, существует качественное различие.

^* (Подробнее о законе действия масс см. в [191, с. 268-270].- Прим. ред.)

Как крупный ученый и один из основоположников новой системы химии Бертолле пользовался большим авторитетом. Он преподавал в широко известной Политехнической школе; как признанный химик сопровождал Наполеона в его походах в Италию и Египет. Большое значение для практики имела разработка Бертолле способов отбеливания тканей и бумаги хлором.

Негативное отношение Бертолле к закону нейтрализации Рихтера не могло длиться долго, так как против положений Бертолле энергично выступил Пруст.

Жозеф Луи Пруст (1754-1826)

Как и Лавуазье, Пруст был учеником Руэля. Сначала он управлял аптекой в Париже, а затем с 1791 г. был профессором Университета в Мадриде.

Проделав в течение 1799-1807 гг. массу анализов, Пруст доказал, что Бертолле сделал свои выводы о различном составе одних и тех же веществ, анализируя смеси, а не индивидуальные вещества, что он, например, не учитывал содержания воды в некоторых оксидах. Пруст убедительно доказал постоянство состава чистых химических соединений и завершил свою борьбу против взглядов Бертолле установлением закона постоянства состава веществ^*.

^* (Закон постоянства состава веществ (закон постоянных отношений) гласит: состав одних и тех же веществ независимо от способа получения одинаков (постоянен). См. [178, с. 164-165].- Прим. ред.)