Урок 28. Химическая революция эпохи Просвещения
Предмет: Естествознание, 10 класс

Конспект урока

Естествознание, 10 класс

Урок 28. Химическая революция эпохи Просвещения

Перечень вопросов, рассматриваемых в теме: Как объясняли учёные в XVII в. тепловые процессы, горение и прокаливание веществ? Какова роль первой химической теории – теории флогистона в развитии химии? Чем отличалась теория горения Лавуазье от теории флогистона? В чем суть химической революции XVIII века?

Глоссарий по теме:

Агрегатные состояния вещества (от лат. aggrego – присоединяю) – состояния одного и того же вещества в различных интервалах (промежутках) температур и давления.

«Агрегатный переход» – это переход вещества при определенных условиях из одного агрегатного состояния в другое.

Твёрдое тело – агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения частиц, которые совершают малые колебания около положений равновесия.

Газ – агрегатное состояние вещества, в котором составляющие его частицы почти свободно и хаотически движутся в промежутках между столкновениями друг с другом.

Жидкость – агрегатное состояние вещества, в котором его частицы связаны между собой настолько, что это позволяет ему сохранять свой объем, но недостаточно сильно, чтобы сохранить и форму.

Воздух – смесь газов, из которых состоит атмосфера Земли: азот, кислород, благородные газы, углекислый газ.

Горение – процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и теплообменом и массообменном с окружающей средой.

Прокаливание – сильное нагревание вещества с целью изменения его химического состава.

Флогистон (от греч. phlogistos – воспламеняемый, горючий) – по представлениям химиков XVII – XVIII вв. некая тонкая материя, «начало горючести», гипотетическая составная часть веществ, которую они теряют при горении и обжиге.

Теплород – по представлениям учёных XVIII – начала XIX вв. некий тонкий флюид, невесомая материя, присутствующая в каждом теле и являющаяся причиной тепловых явлений.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

1.	Естествознание. 10 класс: учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень / И.Ю. Алексашина, К.В. Галактионов, И.С. Дмитриев, А.В. Ляпцев и др. / под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – С. 134-137.

2. Савинкина Е.В. История химии. Элективный курс: Учебное пособие / Е.В. Савинкина, Г.П. Логинов, С.С. Плоткин. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – С. 28-34.

3. Энциклопедия для детей. Том 17. Химия / Глав. ред. В.А. Володин. – М.: Аванта+, 2000. – С. 22-28.

Открытые электронные ресурсы по теме урока:

Левченков С.И. Период становления // Краткий очерк истории химии: Учебное пособие для студентов химфака РГУ. URL:

http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Sketch_3.html#flogiston

Теоретический материал для самостоятельного изучения

К XVI – XVII вв. в результате алхимических изысканий и ремесленной практики был накоплен достаточно большой массив эмпирических знаний о способах получения, очистки и свойствах различных веществ. Однако, теоретическое объяснение химических процессов долгое время не выходило за рамки мистических натурфилософских учений. Возникновение химии как науки традиционно связывают с именем английского учёного XVII в. Роберта Бойля, который первым сформулировал ее цели как изучение свойств вещества и зависимости свойств вещества от его состава. Однако создание первой научной химической теории состоялось только на границе XVII – XVIII вв.

Основываясь на взглядах немецкого химика и врача Иоганна Иоахима Бехера (1635-1682), который считал, что при прокаливании металлов и горении веществ из них выделяется некая «горючая земля», немецкий химик и врач Георг Эрнест Шталь (1659 – 1734) создал теорию флогистона (от греч. phlogistos – воспламеняемый, горючий). С помощью этой теории учёным удавалось непротиворечиво объяснить процессы, происходящие при агрегатных переходах, прокаливании и горении веществ.

Считалось, что флогистон – это некая тонкая материя, которая содержится в веществах, и придает им свойства горючести. Так в соответствии с этой теории при горении веществ и прокаливании металлов из них выделяется флогистон, который до этого в них содержался. Т.е. металлы рассматривались как горючие вещества, а их превращение в оксиды при прокаливании считалось горением – выделением флогистона. Если на полученные прокаленные металлы (оксиды металлов) подействовать веществом, содержащим флогистон, например, углем, то можно получить опять металл. Считалось, что окалина (оксид металла) от угля получал флогистон, который и придавал ей новые свойства – горючесть, металлический блеск и т.д. С помощью флогистона объяснялись и переходы вещества из одного агрегатного состояния в другое, при этом агрегатные состояния одного и того же вещества считались веществами разными.

Ко второй половине XVIII в. постепенно стали накапливаться факты, ставящие под сомнение флогистонную теорию: прокаливание металла сопровождается поглощением воздуха, а вес получаемой окалины становится больше, чем был у металла, т.е. флогистон, получалось, имеет отрицательную массу. Надо сказать, попытки получить флогистон, опыты по прокаливанию и горению с применением уже такого количественного метода как взвешивание, позволили ученым сделать множество открытий. Так, в 1766 г. Генри Кавендиш (1731 – 1810) открывает водород и описывает его свойства. В 1972 г. Даниэль Резерфорд (1749 – 1819) открывает азот. В 1774 г. Джозеф Пристли (1733 – 1804) открывает кислород (независимо от него кислород открывает Карл Вильгельм Шееле (1742 – 1786)). Обобщить результаты опытов и создать новую теорию горения удалось французскому химику и физику Антуану Лорану Лавуазье (1743 – 1794).

В 1772 г. Лавуазье, проводя опыты по сжиганию фосфора и серы, обнаружил, что в процессе их горения происходит поглощение воздуха и образование кислотных продуктов. В результате этих экспериментов он приходит к выводу, что флогистон должен содержаться не в сжигаемом веществе, а в самом воздухе. Дальнейшие опыты приводят Лавуазье к выводу о том, что в процессе горения участвует не весь воздух, а только его часть – «живительный воздух» (поддерживает дыхание), названный впоследствии кислородом. Последующие опыты по разложению оксида ртути в присутствии угля и без него позволяют Лавуазье прийти к новой модели, объясняющей процессы горения и прокаливания – кислородной теории горения.

Выводы, к которым пришёл Лавуазье можно сформулировать следующим образом:

1. При прокаливании ртутной окалины в отсутствии угля получается газ, поддерживающий горение и дыхание – кислород (современная запись процесса 2HgO = 2Hg + O2).

2. При прокаливании ртутной окалины в присутствии угля получается «связанный воздух» (углекислый газ), который есть соединение кислорода с углем (современная запись процесса 2HgO + C = 2Hg + CO2).

3. В составе воздуха кроме горючей части – кислорода, есть «удушающий воздух» – азот.

4. При горении сера и фосфор присоединяют кислород и превращаются в кислоты, а металлы при прокаливании, присоединяя кислород, превращаются в «земли» (оксиды металлов).

5. Чем больше кислорода содержится в веществе, тем сильнее проявляются его кислотные свойства.

Надо отметить, что опровергнув теорию флогистона, Лавуазье использует в своей теории понятие флогистона, существенно изменив его смысл. Еще ранее, в начале 70-х годов XVIII века Лавуазье заинтересовался процессами изменения агрегатного состояния вещества и попытался их объяснить. По представления Лавуазье, переход вещества из твердого состояния при нагревании в жидкое связан с присоединением флогистона, также как и переход из жидкости в пар. Если же охлаждением у вещества отбирать флогистон, то пойдут обратные процессы: пар перейдет в жидкость, а жидкость перейдет в твердое состояние. Эта идея Лавуазье была очень важной. Если раньше лёд, вода в жидком состоянии и водяной пар считались разными веществами, то теперь их следовало считать разными агрегатными состояниями одного и того же вещества, которые отличаются только количеством поглощенного флогистона. Флогистон, участвующий в процессах перехода веществ из одного агрегатного состояния в другое, позже Лавуазье назвал теплородом, зафиксировав тем самым его физический смысл как носителя тепла.

Появление кислородной теории горения потребовало пересмотра ключевых химических понятий и принципов, возникла необходимость создания новой номенклатуры и терминологии. С появлением кислородной теории горения связывают переломный момент в становлении химии как науки, который называют «химической революции».

В середине 80-х годов XVIII по поручению Парижской академии наук Лавуазье в составе группы выдающихся французских химиков того времени (Клод Луи Бертолле (1748-1822), Луи Бернар Гитон де Морво (1737-1816), Антуан Франсуа де Фуркруа (1755-1809)) принимает участие в создании новой системы химической номенклатуры. В соответствии с новой системой названия веществ строились исходя из названий элементов, их образующих. Спустя несколько лет Лавуазье публикует свой учебник «Элементарный курс химии», основывающийся на кислородной теории горения и новой рациональной номенклатуре. В своем учебнике ученый приводит формулировку закона сохранения массы вещества и «Таблицу простых тел», содержащий список химических элементов, разделенных на несколько типов в зависимости от свойств кислородных соединений. Выход учебника пришёлся на год, совпадающий с началом Великой французской революции, завершившей эпоху Просвещения и сыгравшей зловещую роль в судьбе ученого и всей французской науки. Великий французский учёный Антуан Лоран Лавуазье трагически погибнет в 1794 году.

В XVII веке английским учёным Робертом Бойлем впервые были сформулированы цели химической науки – изучение свойств вещества и зависимости свойств вещества от его состава. Теория флогистона, созданная на границе XVII – XVIII веков немецким учёным Георгом Эрнестом Шталем, несмотря на свою ошибочность, была первой научной химической теорией, которая непротиворечиво объясняла процессы агрегатных переходов, прокаливания и горения веществ. Применение в химических исследованиях количественных методов, в первую очередь, взвешивания, стало важным шагом в развитии химической науки и позволило прийти к новой теоретической модели, описывающей процессы горения и прокаливания. Создание французским учёным Антуаном Лораном Лавуазье в 70-х годах XVIII века кислородной теории горения стало поистине научным переворотом в химии и привело к пересмотру всех ключевых принципов и понятий химии, созданию новой системы химической номенклатуры. В основу созданной номенклатуры были положены рациональные принципы создания названий веществ с использованием названий элементов их составляющих.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

1. Укажите верные утверждения:

Утверждение

Правильный ответ и пояснение

А. Теория флогистона объясняла горючесть вещества наличием в его составе флогистона.

Правильное утверждение. Флогистон понимался как некая тонкая материя, которая содержится в веществах, и придает им свойства горючести.

Б. Теория флогистона не имела положительного значения для развития химической науки

Неправильное утверждение. Несмотря на свою ошибочность теория флогистона была первой научной химической теорией и была первым шагом в теоретическом объяснении химических процессов.

В. Использование взвешивания при проведении химических исследований позволило опровергнуть теорию флогистона.

Правильное утверждение. Использование взвешивания при проведении химических исследований позволило определить роль воздуха в процессах горения и опровергнуть теорию флогистона.

2. Установление соответствие между элементами двух множеств. К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

Утверждение

Теория

1. Металлы являются сложными горючими телами

А. Теория флогистона

Б. Кислородная теория

2. При прокаливании металлов образуется простое тело

3. В ходе прокаливания металла образуется сложное тело

4. Вещества горят, так как в их составе есть горючий компонент

5. Горение веществ есть присоединение ими части воздуха

Правильный ответ: 1 – А; 2 – А; 3 – Б; 4 – А; 5. - Б.

Пояснения: В соответствии с теорией флогистона вещества горят, т.к. в их составе есть флогистон, придающий им горючесть. Металл считался сложным телом, содержащим флогистон, который при прокаливании металл теряет. Полученная в результате окалина флогистона не имеет и является простым телом. Кислородная теория объясняла прокаливание металла как его взаимодействие с частью воздуха. Металл считался простым телом, а продукт его прокаливания – окалину сложным телом. Горение рассматривалось как присоединение телом части воздуха – кислорода.