Чтение онлайн

Победа атомистического учения и определение точных атомных весов углерода и кислорода, выполненное Станислао Канниццаро в 1858 году, вскоре позволили придать более совершенную формулировку первоначальной мысли Франкленда. А именно: «Валентность – это свойство атомов одного элемента присоединять определенное число атомов других элементов. За единицу измерения валентности принята валентность водорода».

В 1858 году шотландский химик Арчибальд Скотт Купер своими исследованиями создал базу для формирования теории химического строения органических соединений. В этом году он публикует статью «О новой химической теории», в которой высказывает новые идеи о строении органических веществ. Идеи Купера развивали представления Эдуарда Франкленда о «соединительной силе» элементов. Купер использовал термины «сродство элементов» в значении «способность атомов элемента избирательно соединяться с атомами других элементов», а также «степень сродства» – собственно количественная мера сродства.

По Куперу, элементы обладают сродством к другим элементам, а соединения образуются в соответствии с этим сродством. Высшая степень сродства углерода равна 4, то есть на один атом углерода может приходиться до четырех атомов водорода, хлора и подобных элементов. Важным было утверждение Купера о способности атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи. Для ряда веществ Купер также предложил формулы, в которых сродство атомов было показано черточками.

Однако, будучи теоретиком, при составлении своих формул Купер не опирался на их экспериментальное обоснование. Порядок соединения атомов он выводил из формальных умозрительных представлений о «единицах сродства» разных элементов. Вопрос об экспериментальном подтверждении правильности формул Купер даже не ставил. Поэтому, строго говоря, утверждения Купера нельзя считать теорией в современном значении этого слова.

Решающую роль в создании теории валентности сыграл Фридрих Август Кекуле. В 1857 году он показал, что углерод является четырехосновным (четырехатомным) элементом и его простейшим соединением является метан СН4. Уверенный в истинности своих представлений о валентности атомов, Кекуле ввел их в свой учебник органической химии: основность, по мнению автора, – фундаментальное свойство атома, такое же постоянное и неизменяемое, как и атомный вес.

Уже три года спустя, в сентябре 1861 года, в теорию валентности вносит важнейшие дополнения А. М. Бутлеров. Проведя четкое различие между свободным атомом и атомом, вступившим в соединение с другим, когда его сродство «связывается и переходит в новую форму», Бутлеров вводит представление о полноте использования сил сродства и о «напряжении сродства», то есть энергетической неэквивалентности связей, которая обусловлена взаимным влиянием атомов в молекуле. В результате этого взаимного влияния атомы, в зависимости от их структурного окружения, приобретают различное «химическое значение». Теория Бутлерова позволила дать объяснение многим экспериментальным фактам, касавшимся изомерии органических соединений и их реакционной способности.

Несомненным достоинством теории валентности явилась возможность наглядного изображения молекулы. В 1860-х годах появляются первые молекулярные модели.

Уже в 1864 году А. Браун предложил использовать структурные формулы в виде окружностей с помещенными в них символами элементов, соединенных линиями, обозначающими химическую связь между атомами; количество линий соответствовало валентности атома. В 1865 году А. фон Гофман продемонстрировал первые шаростержневые модели, в которых роль атомов играли крокетные шары, а в 1866-м в учебнике Кекуле появились рисунки стереохимических моделей, в которых атом углерода имел форму тетраэдра.

Первоначально за единицу валентности была принята валентность атома водорода. Валентность другого элемента при этом выражалась числом атомов водорода, которое присоединяет к себе или замещает один атом этого другого элемента. Таким образом, валентность такого рода называется валентностью в водородных соединениях или валентностью по водороду: например, в соединениях HCl, H2O, NH3, CH4 валентность хлора по водороду равна единице, кислорода – двум, азота – трем, углерода – четырем.

Валентность кислорода, как правило, равна двум. Поэтому, зная состав или формулу кислородного соединения того или иного элемента, можно определить его валентность как удвоенное число атомов кислорода, которое может присоединять один атом данного элемента. Валентность, определенная таким образом, называется валентностью элемента в кислородных соединениях или валентностью по кислороду: так, в соединениях K2O, CO, N2O3, SiO2, SO3 валентность по кислороду калия равна единице, углерода – двум, азота – трем, кремния – четырем, серы – шести.

У большинства элементов значения валентности в водородных и в кислородных соединениях различны: например, валентность серы по водороду равна двум (H2S), а по кислороду – шести (SO3). Известно, что большинство элементов проявляют в разных соединениях различную валентность (некоторые элементы могут не иметь ни гидридов, ни оксидов). Например, углерод образует с кислородом два оксида: монооксид углерода CO и диоксид углерода CO2. В монооксиде углерода валентность углерода равна двум, а в диоксиде – четырем (некоторые элементы способны образовывать также пероксиды). Из рассмотренных примеров следует, что охарактеризовать валентность элемента каким-нибудь одним числом и/или методом, как правило, нельзя.

С тех пор прошло более ста лет. За эти годы в химии произошло больше изменений, чем за предыдущие лет пятьсот. Существенно обновилось и содержание, которое раньше вкладывалось в представление о валентности. Теперь уже совершенно очевидно, что валентность тесно связана с электронным строением атомов. К тому же представляется вполне логичным, что максимально возможная валентность атома равна либо числу его внешних (валентных) электронов, которые он в принципе может отдать, либо числу свободных мест в его электронной оболочке, куда он может принять чужие электроны. Но даже с этими дополнениями определение валентности, данное Франклендом, остается все же удовлетворительным и достаточно полно отражающим современное содержание учения о валентности.

Эта область открытий требует скорее пера драматурга, а не историка науки – настолько она полна драматизма. Кто из врачей первым мужественно прошел через все риски травли и настоящее преследование, все-таки успешно применив наркоз, сейчас установить едва ли возможно, поскольку применение анестезии, во избежание этих рисков, не афишировалось. Чем это грозило, можно представить уже по тому факту, что одного из хирургов даже вынудили покончить жизнь самоубийством.

Когда мы говорим о наркозе, что-то подсказывает, что с ним было примерно так же, как и с ванной Архимеда, и с яблоком Ньютона, то бишь он из категории «хорошо забытого старого». И действительно, наркоз применяли еще до нашей эры – во всяком случае, упоминания об успешном обезболивании встречаются в описаниях операций, сделанных врачами Древнего Китая, Греции, Рима. Правда, к сожалению, ни эффективный способ обезболивания, ни рецепты изготовления обезболивающих средств, ни описания их воздействия на организм до нас не дошли.

Первое из дошедших до нас описаний применения наркоза, достаточно подробное и научно обоснованное для своего времени, относится к 1540 году: обезболивающее действие диэтилового эфира было, судя по всему, не только описано, но и опробовано на практике выдающимся врачом XVI века Парацельсом. К сожалению, после смерти гениального доктора эта технология была забыта очень надолго. Следующий эксперимент по анестезии поставил английский физик и химик Хэмфри Дэви: в 1799 году он открыл обезболивающие свойства закиси азота, известной также как веселящий газ. Жаль только, что свои эксперименты, которые он ставил над собой, сэр Дэви также описал в веселящей манере, поэтому на должную научность они претендовать не могут. Врачи не обратили никакого внимания на эти записи, хотя химик настоятельно рекомендовал применять при операциях не только закись азота, но тот же диэтиловый эфир.