Истоки теории электролитической диссоциации. Возникновение теории растворов

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ГОУ ВПО ТВЕРСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

ХИМИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКУЛЬТЕТ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат по истории химии

 

 

Истоки  теории электролитической диссоциации. Возникновение теории растворов.

 

 

 

 

 

 

Выполнили:

Ильина  Н.В.

Селина  Т.Ю.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ТВЕРЬ 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Введение                                                                                                 3

1 Истоки теории  электролитической диссоциации                   

1.1 Основоположник ТЭД  – С.Аррениус                                            4

1.2 Новые представления  о солях, кислотах и основаниях             6

1.3 Дальнейшее развитие  ТЭД                                                             7

2 Борьба за признание ТЭД

2.1 ТЭД и Д.И.Менделеев                                                                    11

2.2 ТЭД В России                                                                                  13

3 Теория растворов

3.1 Химическая  теория растворов Д.И.Менделеева                         16

3.2 Осмотическая теория  Вант-Гоффа                                                18

3.3 Неводные растворы                                                                         19

3.4 Дальнейшее  развитие теории растворов                                       24

Заключение                                                                                            25

Список литературы                                                                               26

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Для двух ребят подарков груз

Ион взвалил себе на спину:

Для Кати Он несет свой плюс,

Для Ани Он несет свой минус.

Еще на заре изучения электрических явлений ученые заметили, что ток могут проводить не только металлы, но и растворы. Но не всякие. Так, водные растворы поваренной соли и других солей, растворы сильных кислот и щелочей хорошо проводят ток. Растворы уксусной кислоты, углекислого и сернистого газа проводят его намного хуже. А вот растворы спирта, сахара и большинства других органических соединений вовсе не проводят электрический ток.

Английский  физик Майкл Фарадей еще в 30-е  годы XIX века, изучая закономерности прохождения  электрического тока через растворы, ввел термины «электролит», «электролиз», «ион», «катион», «анион». Электролит –  вещество, раствор которого проводит электрический ток. Происходит это в результате движения в растворе заряженных частиц – ионов. Однако причина появления в растворах заряженных частиц была совершенно непонятной.

В 1887 году шведский физик-химик Сванте Аррениус, исследуя электропроводность водных растворов, высказал предположение, что в таких растворах вещества распадаются на заряженные частицы – ионы, которые могут передвигаться к электродам – отрицательно заряженному катоду и положительно заряженному аноду. Это и есть причина электрического тока в растворах. Данный процесс получил название электролитической диссоциации (дословный перевод – расщепление, разложение под действием электричества). Такое название также предполагает, что диссоциация происходит под действием электрического тока. Дальнейшие исследования показали, что это не так: ионы являются только переносчиками зарядов в растворе и существуют в нем независимо от того, проходит через раствор ток или нет.

Многие ученые – современники Аррениуса, вначале  не приняли его теорию. У многих из них в то время еще не было четкого понимания, чем ионы отличаются от нейтральных атомов. В результате диссертация Аррениуса получила ряд отрицательных отзывов. К числу самых непримиримых противников Аррениуса принадлежал и Д.И.Менделеев, создавший «химическую» теорию растворов, в отличие от «физической» теории Аррениуса. Однако последующие успехи новой теории были столь впечатляющи, а признание ее (пусть и не всеобщее) таким воодушевленным, что на этом фоне забылись все сомнения. Теория электролитической диссоциации убедительно объяснила многие факты, которые были известны давно и тем не менее оставались непонятными [7].

К середине 19 века возрастает интерес ученых к природе  растворов. Становится все очевиднее, что без знания природы растворов  невозможно изучать многие явления и проникнуть в сущность различных производственных процессов. В связи с развитием химических производств появилась острая необходимость в изучении свойств и состава различных растворов. Многие ученые того периода рассматривали растворы как механические смеси определенных соединений растворенного вещества с молекулами растворителя. Наибольшее развитие учение о растворах получило в фундаментальных работах Д.И.Менделеева [1].

 

 

 

1. ИСТОКИ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

 

 

 

1.1 ОСНОВОПОЛОЖНИК ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ - С.АРРЕНИУС

 

История возникновения  теории электролитической диссоциации  связана с именем шведского физика-химика Сванте Аррениуса (1859— 1927). Его перу принадлежит 200 научных работ в области химии, физики, геофизики, метеорологии, биологии, физиологии.

 

АРРЕНИУС (Arrhenius), Сванте Август. Шведский физикохимик Сванте Август Аррениус родился в имении Вейк, недалеко от Упсалы. Он был вторым сыном Каролины Кристины (Тунберг) и Сванте Густава Аррениуса, управляющего имением. Предки Аррениуса были фермерами. Через год после рождения сына семья переехала в Упсалу, где С.Г.Аррениус вошел в состав совета инспекторов Упсальского университета. Посещая кафедральное училище в Упсале, Аррениус проявил исключительные способности к биологии, физике и математике.

В 1876г. Аррениус поступил в Упсальский университет, где изучал физику, химию и математику. В 1878г. ему была присвоена степень  бакалавра естественных наук. Однако он продолжал изучение физики в Упсальском университете в течение трех последующих лет, а в 1881г. уехал в Стокгольм, в Шведскую королевскую академию наук, чтобы продолжать исследования в области электричества под руководством Эрика Эдлунда.

В 1884г. Аррениус защищает докторскую диссертацию  в Упсальском университете. А в 1886г. Аррениус становится стипендиатом Шведской королевской академии наук, что позволило ему работать и проводить исследования за рубежом. В течение следующих пяти лет он работал в Риге с Оствальдом, в Вюрцбурге с Фридрихом Кольраушем (здесь он встретился с Вальтером Нернстом), в Грацком университете с Людвигом Больцманом и в Амстердамском – с Якобом Вант-Гоффом. Вернувшись в Стокгольм в 1891г., Аррениус начинает читать лекции по физике в Стокгольмском университете, а в 1895г. получает там должность профессора. В 1897г. он занимает пост ректора университета.

В 1903г. Аррениусу была присуждена Нобелевская  премия по химии, «как факт признания  особого значения его теории электролитической диссоциации для развития химии». Выступая от имени Шведской королевской академии наук, X.Р.Тернеблад подчеркнул, что теория ионов Аррениуса заложила качественную основу электрохимии, «позволив применять к ней математический подход». «Одним из наиболее важных результатов теории Аррениуса, – сказал Тернеблад, – является завершение колоссального обобщения, за которое первая Нобелевская премия по химии была присуждена Вант-Гоффу».

Аррениус  получил много наград и титулов. Среди них: медаль Дэви Лондонского королевского общества (1902), первая медаль Уилларда Гиббса Американского химического общества (1911), медаль Фарадея Британского химического общества (1914). Он был членом Шведской королевской академии наук, иностранным членом Лондонского королевского общества и Германского химического общества. Аррениус был удостоен почетных степеней многих университетов, в т. ч. Бирмингемского, Эдинбургского, Гейдельбергского, Лейпцигского, Оксфордского и Кембриджского [6].

 

Интересно, что  идея, ставшая основой этой теории, возникла на основе опытов, поставленных для решения совершенно иной проблемы.

Как рассказывает Ю.И. Соловьев, «еще студентом Упсальского  университета С. Аррениус, слушая лекции своего учителя профессора П.Т. Клеве, узнал, что определить молекулярную массу таких веществ, которые, подобно тростниковому сахару, не переходят в газообразное состояние, невозможно. Чтобы принести химии «большую пользу», молодой ученый принимает решение определить электропроводность солей в растворах, содержащих наряду с водой большое количество неэлектролитов. При этом он исходил из принципа, что сопротивление раствора электролита тем больше, чем больше молекулярная масса растворителя. Таков был первоначальный план работы.

Но в результате первых наблюдений С. Аррениус теряет интерес к задуманной теме. Его  увлекает новая мысль. Что происходит с молекулой электролита в  растворе? Молодой ученый сознавал, что успешное решение этого вопроса  позволит пролить яркий свет на темную область растворов. Так вместо определения молекулярной массы растворенного неэлектролита С.Аррениус начинает интенсивно изучать состояние молекулы электролита в растворе.

Работа в  новом направлении уже вскоре дала прекрасные результаты. Данные, полученные при измерении электропроводности водных растворов электролитов различной концентрации, позволили С.Аррениусу сделать смелый вывод: молекулы электролита диссоциируют на ионы без воздействия тока, причем степень диссоциации растет с разбавлением. Как сейчас нам представляется, это был, казалось бы, очевидный и простой вывод из экспериментальных данных. Но совершенно не простым он был для С. Аррениуса, ибо этот вывод разрушал твердые, «как гранит», традиционные представления о состоянии молекул солей, кислот и оснований в растворе» [1].

С. Аррениус побоялся даже высказать свою мысль в категорической форме, усложнив основные положения  своей теории не очень понятными  терминами. Дело в том, что он не представлял, откуда берется энергия, необходимая для разрыва молекул (или кристаллов) электролитов на ионы. А энергия эта немалая. Если, например, взять один моль поваренной соли и «разбросать» его на ионы, то потребуется 800 кДж энергии. Такая большая энергия нужна за тем, чтобы преодолеть кулоновское притяжение между разноименно заряженными ионами в кристаллах или молекулах электролита.

 

И все же опыты  С.Аррениуса, да и других ученых, упорно приводили к выводу, что в растворах  электролитов действительно существуют ионы, независимо от того, действует на них электрическое поле или нет. И это придавало С.Аррениусу уверенность в своей правоте. Встретили теорию Аррениуса по-разному: одни ученые с воодушевлением, другие – в штыки. Это и понятно. Она имела много плюсов, но не меньше и минусов [3].

 

 

 

1.2 НОВЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СОЛЯХ, КИСЛОТАХ И ОСНОВАНИЯХ

 

С.Аррениус создал фактически новые представления  о кислотах, основаниях и солях. Кислотой он считал соединение, диссоциирующее в водном растворе с отщиплением  ионов водорода. Например:

 

HCl « H⁺ + Cl^-

H₂SO₄ « 2H⁺ + SO₄^2-

 

Отсюда стало  ясно, почему кислоты имеют ряд  общих свойств. Кислый вкус, одинаковая окраска индикатора, выделение водорода при действии активных металлов –  за все эти свойства отвечали ионы водорода, образующиеся при диссоциации  кислот.

Основанием он считал соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидроксид-ионов:

 

KOH « K⁺ + OH^-

Ca(OH)₂ « Ca²⁺ + 2OH^-

 

Тогда стали  понятны общие свойства оснований. Горький вкус, ощущение мылкости, одинаковая реакция на индикаторы – это все «дело рук» ионов OH^-.

Разную электрическую  проводимость кислот и оснований  С.Аррениус объяснил их различной способностью к диссоциации. Хорошо диссоциирующие кислоты или основания, дающие в  растворах много ионов, он назвал сильными, а плохо диссоциирующие, образующие мало ионов, - слабыми. Для характеристики «силы» электролитов С. Аррениус ввел новое понятие – степень электролитической диссоциации. Теперь стало понятно, почему раствор уксусной кислоты проводит электрический ток хуже, чем такой же по концентрации раствор серной кислоты [3].

 

 

 

 

 

 

 

1.3 ДАЛЬНЕЙШЕЕ РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ДИССОЦИАЦИИ

 

Большое значение для дальнейшего развития теории диссоциации имела известная  работа Вант-Гоффа «Химическое равновесие в системах газов и разбавленных растворов» (1885), в которой было установлено, что реальное понижение температуры плавления, давления пара и осмотического давления солей, кислот и оснований меньше, чем рассчитанное теоретически по закону Рауля. Эти несоответствия подтверждали положения теории диссоциации, согласно которым электролит в водном растворе распадается на свободно перемещающиеся ионы [2].

 

ВАНТ-ГОФФ (van't Hoff), Якоб Генрик. Нидерландский химик Якоб Генрик Вант-Гофф родился в Роттердаме, в семье врача Якоба Генрика Вант-Гоффа. По настоянию родителей Вант-Гофф начал изучать инженерное дело в Политехнической школе в Дельфте. В ней Вант-Гофф за два года прошел трехлетнюю программу обучения и лучше всех сдал выпускной экзамен.

В 1871 г. Вант-Гофф стал студентом естественно-математического факультета Лейденского университета. На следующий год он перешел в Боннский университет, чтобы изучать химию под руководством Фридриха Августа Кекуле. Два года спустя Вант-Гофф продолжил свои занятия в Парижском университете, где и завершил работу над диссертацией. Вернувшись в Нидерланды, он представил ее к защите в Утрехтском университете.