кислородная теория горения. килородная теория горения. Представление о горении и дыхании в эпоху Нового времени. Кислородная теория горения
 Скачать 114.5 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Тверской государственный технический университет» (ФГБОУ ВО «ТвГТУ») Кафедра Биотехнологии, химии и стандартизации РЕФЕРАТ по курсу «История науки и техники» на тему: «Представление о горении и дыхании в эпоху Нового времени. Кислородная теория горения» Выполнил: студент 1 курса группы Б.БТ.ПБ.20.03 Фамилия И.О. Принял: доцент кафедры БХС Демиденко Г.Н. Тверь 2021 Содержание Введение……………………………………………………………………..…...3 1. Теоретические аспекты горения………………………………………….…...6 1.1. Общие сведения о горении…………………………………………………..6 1.2. История развития знаний о горении…………………………………….…..7 2. Кислородная теория горения и химическая революция……………..…….12 2.1. Особенности кислородной теории горения…………………………….…12 2.2. Химическая революция………………………………………………..……14 Заключение…………………………………………………………….…………17 Список используемой литературы…………………………..………….……..19 Введение Несмотря на наступление научной революции, развитие химии в XVII в. шло значительно медленнее по сравнению с физико-математическими науками. В химии еще в полной мере господствовали традиции иатрохимической школы с ее отсталыми представлениями. Большинство химиков, вербовавшихся из среды врачей и аптекарей, видели главную задачу в разработке и совершенствовании рецептур лекарственных средств и игнорировали другие области химии. В таких условиях теоретические вопросы химии разрабатывались вслепую, идеи, высказывавшиеся натурфилософами, воспринимались химиками, но не применялись при объяснении химических явлений. Многие продолжали еще верить в возможность трансмутации металлов и занимались алхимией. Одной из проблем, возникших в XVII в. в связи с развитием мануфактур, была проблема горения. Новые производства, особенно металлургические, требовали много топлива. Леса в Европе были уже почти вырублены, и во весь рост встала задача поисков новых видов топлива и рационального использования природных ресурсов. С другой стороны, металлурги настоятельно требовали изучения и объяснения процессов восстановления металлов из руд и окисления металлов. С давних пор считалось, что при обжигании на воздухе металлы умирают, превращаясь в землю или известь (лат. calx), поэтому процесс обжига металлов стал называться кальцинацией. Исходя из общих представлений о горении как о распаде веществ, кальцинацию объясняли как распад металла на известь и некоторые летучие продукты. Роль воздуха при этом игнорировалась, несмотря на то что с давних пор некоторые ученые (например, Леонардо да Винчи) указывали, что без воздуха горение невозможно. Тема данной работы весьма актуальна, так как в настоящее время горение является основным источником энергии. Отметим, что более 85% потребляемой энергии в мире имеет своим источником горение, большинство современных технологий основано на его использовании. Количественное описание этого явления представляет не только чисто научный интерес, но также имеет большое практическое значение. Цель данной работы, изучить представление о горении и дыхании в эпоху Нового времени, а также кислородную теорию горения. Для того, чтобы цель была достигнута, необходимо решить следующие задачи: -рассмотреть общие сведения о горении; -разобрать историю развития знаний о горении; -изучить особенности кислородной теории горения; -проанализировать химическую революцию. Объект исследования данной работы – особенности горения и дыхания в эпоху Нового времени, а также кислородная теория горения. Цели и задачи работы определили её структуру. Реферат состоит из следующих частей: - Введение, в котором показана актуальность выбранной темы, определяется объект исследования, описываются цели, задачи, структура реферата; - Первая глава, в которой рассматриваются теоретические аспекты горения, а также история развития знаний о горении; - Вторая глава, в ней подробно описывается кислородная теория горения и особенности химической революции. - Заключение, содержащее общие выводы по работе; - Библиографический список 7 наименований использованных источников. Источниками исходной информации для написания данной работы послужили: теоретические материалы исследования различных авторов, учебники и учебные пособия. 1. Теоретические аспекты горения 1.1. Общие сведения о горении Горением называется сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимся химическим превращением и сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Пламенное горение может возникнуть или под действием источника зажигания (воспламенения), или вследствие резкого увеличения скорости экзотермических реакций (самовоспламенение). Горение является первым сложным техническим процессом, освоенным человеком. В истории прогресса техники этот процесс занимал и продолжает занимать очень важное место, являясь основой современной энергетики, многих технологических производств, транспорта и быта [1]. В то же время, процессы горения различных веществ играют значительную роль в безопасности жизнедеятельности. Огромный ущерб растительному покрову Земли наносят пожары. Ежегодно на всех континентах возникает около 200 тысяч лесных пожаров. Лишь около 3 % из них было вызвано молниями. Остальные - следствие неосторожного обращения людей с огнем. Знание основных процессов физики горения необходимо для оценки пожароопасности различных веществ и помещений и разработки эффективных мероприятий по предотвращению и тушению различных пожаров. На различных промышленных сооружениях растет количество взрывных аварийных происшествий. При этом наряду с авариями на объектах, непосредственно связанных с хранением и использованием энергоемких или взрывчатых материалов, все чаще встречаются случаи, когда причиной взрыва были внешне безопасные объекты. Во взрывоопасных технологических процессах (угледобыча, нефтепереработка, химическая технология) предпринимаются серьезные усилия для предотвращения взрывов и ослабления их нежелательных последствий. В других отраслях народного хозяйства при проектировании оборудования часто исходят из гипотезы о взрывобезопасности многих объектов, которые, однако, потенциально способны породить взрывные явления [2]. В связи с этим, весьма актуальной является проблема доведения до сознания широкого круга специалистов основных представлений о возможных источниках и последствиях взрывов. К последним относятся фугасное действие воздушной ударной волны, осколочное действие разрушенных и разлетающихся элементов оборудования и тепловое воздействие от выгорания энергоносителя. 1.2. История развития знаний о горении По данным археологии, люди начали пользоваться огнем для обогрева и приготовления пищи 600 тысяч лет назад, а научились получать огонь - 30 тысяч лет назад. Порох был изобретен в Китае, а также использовался в Японии более трех тысяч лет назад. Огню отводилось значительное место в ранних мифах и легендах, например, в греческом мифе о Прометее, похитившем огонь у богов и отдавшем его людям. Первые научные представления относительно пламени были сформулированы, по-видимому, греческим философом Гераклитом, считавшим, что огонь является одним из основных веществ [2]. Из первых теорий, пытавшихся объяснить сущность процесса горения, следует отметить теорию флогистона. Эта теория сыграла известную роль в развитии химии и, в частности, в изучении процесса горения. Она появилась в XVII веке в связи с развитием металлургии. Автором теории флогистона является Георг Эрнст Шталь (21 октября 1660 г. - 14 мая 1734 г.). По этой химической теории все вещества, способные гореть, содержат особое вещество - флогистон, которое выделяется при горении (флогистон - по-гречески - горючий - флогистос). Металлы при этом превращаются в окалины, а тела - в «извести». Если эти «дефлогистированные» образования прокалить с углем, богатым флогистоном, то они возвратят свой флогистон и снова станут металлами. Далее, по Шталю, флогистон выделяется при горении в воздух, откуда «воспринимается» растениями и от них переходит к животным. Здесь он участвует в процессах дыхания, брожения, гниения. Теория флогистона господствовала до 1770-х годов, и поиски этого вещества привели к установлению множества новых фактов и открытию новых веществ. Исходя из теоретических положений теории, оказалось возможным понять особенности металлургических процессов и улучшить качество выплавляемых металлов. Флогистонная теория Шталя стала первой теорией научной химии, благодаря которой химия освободилась от алхимии. Однако ряд явлений, сопровождающих процесс горения, эта ошибочная теория объяснить не могла. Выделить чистый флогистон и изучить его, разумеется, также не удалось. Поэтому теория флогистона из фактора прогресса в развитии химии превратилась в его тормоз. Большинство химиков того времени придерживались теории флогистона. Теория флогистона считалась прочно установленной опытами известного английского химика Роберта Бойля. Р. Бойль (25.01.1627 - 31.12.1691). взял кусок свинца, поместил его в стеклянную реторту (сосуд с длинной, направленной вниз шейкою), герметически ее заплавил и взвесил. Затем он нагрел ее в таком виде на огне, и свинец перешел в окалину; после этого он вскрыл реторту (причем Р. Бойль отметил вхождение в нее воздуха со свистом, как признак герметического запаивания реторты) и снова взвесил: оказался привес, для объяснения которого он и предложил свою гипотезу о способности огненной материи проходить через стекло реторты и затем соединяться с металлом. Так как вес окалины больше веса металла, из которого она получена, то, по мнению Бойля, флогистон имеет вес. Впервые теорию флогистона опроверг великий русский ученый М. В. Ломоносов (1711 - 1765 гг.). М.В. Ломоносов весьма скептически относился к невесомым веществам своего века и отрицал их существование. Ломоносов говорит о возможности другого объяснения увеличения веса металла при обжигании, а именно: от соединения металла с воздухом, все время окружающим обжигаемый металл. Но против такого предположения говорило одно обстоятельство - опыты Р. Бойля. Ломоносов повторил опыт Р. Бойля в 1756 г., сам он пишет об этом следующее: «Делал опыты в заплавленных накрепко стеклянных сосудах, чтобы исследовать, прибывает ли вес металлов от чистого жару. Оными опытами нашлось, что славного Роберта Бойла мнение ложно, ибо без пропущения внешнего воздуха вес сожженного металла остается в одной мере» [3]. Ломоносов констатировал, так же как Р. Бойль, что при вскрытии такой реторты после опыта в нее входит воздух. Тем самым было доказано, что: а) привес металла при обжигании обусловлен соединением его с воздухом; б) объяснение процесса обжигания металла при помощи флогистона невозможно: если бы флогистон уходил из металла, то заплавленная реторта с металлом должна была бы иметь иной вес после нагревания. Все эти опыты были сообщены Ломоносовым Конференции Академии, но не опубликованы, а потому остались совершенно неизвестными. Своими опытами М. В. Ломоносов выявил не только сущность процесса горения, но и установил основной закон современной химии – закон сохранения массы вещества (1756 г.). 17 лет спустя, в 1773 г., опыты Р. Бойля повторил А. Лавуазье с совершенно такими же результатами, как и М. В. Ломоносов. Но он сделал новое, очень важное, наблюдение, а именно, что только часть воздуха запаянной реторты соединилась с металлом и что увеличение веса металла, перешедшего в окалину, равно уменьшению веса воздуха в реторте. Вместе с тем часть металла осталась в свободном виде. Отсюда Лавуазье сделал вывод, что воздух состоит из двух газов, из которых один соединяется с металлом, другой - нет. Этот вывод был проверен на опыте обжиганием ртути в реторте, сообщавшейся с определенным объемом воздуха под стеклянным колоколом, погруженным в ртуть. Через 12 дней обжигание было прекращено, потому что объем воздуха под колоколом перестал уменьшаться; оставшийся в колоколе воздух не поддерживал горения, мышь в нем не могла жить, а потому Лавуазье назвал его азотом, что по-гречески значит «негодный для жизни»[3]. Получившаяся красная окалина ртути при сильном прокаливании распалась на ртуть и тот газ, который был поглощен ртутью из воздуха: в этом газе свеча горела с ослепительным блеском, мышь чувствовала себя превосходно; это был кислород. Таким образом, были окончательно разъяснены процессы обжигания металлов и вместе с тем доказано, что воздух — не элемент, но содержит около 4/5 азота, 1/5 кислорода. А затем Лавуазье же доказал, что горение есть, вообще, соединение горящего или обжигаемого вещества с кислородом воздуха. Итак, в 1774 году Лавуазье публикует работу «Об обжиге олова в закрытых сосудах». Именно в этой работе впервые был приведен количественный состав атмосферы и дано простое и однозначное объяснение роли кислорода в процессе окисления и горения. В эти же годы он дает определение процессу дыхания, как разновидности окисления. В 1777 году появляется статья в популярном научном журнале «О горении вообще», в 1783 году – работа, которая окончательно разбивает старые представления, «Размышления о флогистоне» [4]. Среди ученых, живших и работавших до начала XX века, наибольший вклад в развитие науки о горении внесли П. Бертело, Р. Бунзен, Р. Бэкон, А. Лавуазье, М. В. Ломоносов, В. А. Михельсон, М. Фарадей, С. Чепмен и другие. 2. Кислородная теория горения и химическая революция 2.1. Особенности кислородной теории горения Нефлогистонные представления о горении и дыхании зародились даже несколько ранее флогистонной теории. Жан Рей (1583-1645), которому наука обязана постулатом «все тела тяжелы», в 1630 г. высказывал предположение, что увеличение массы металла при обжиге обусловлено присоединением воздуха. В 1665 г. Роберт Гук (1635-1703) в работе «Микрография» также предположил наличие в воздухе особого вещества, подобного веществу, содержащемуся в связанном состоянии в селитре. Дальнейшее развитие эти взгляды получают в книге «О селитре и воздушном спирте селитры», которую написал в 1669 г. английский химик Джон Мейоу (1645-1679). Мейоу пытается доказать, что в воздухе содержится особый газ (spiritus nitroaёreus), поддерживающий горение и необходимый для дыхания; обосновывает он это предположение знаменитыми опытами с горящей свечой под колоколом. Однако выделить этот spiritus nitroaёreus в свободном состоянии удалось лишь более чем через сто лет. Открытие кислорода было сделано независимо друг от друга почти одновременно несколькими учёными. Карл Вильгельм Шееле получил кислород в 1771 г., назвав его «огненным воздухом»; однако результаты опытов Шееле были опубликованы лишь в 1777 г. По мнению Шееле, «огненный воздух» представлял собой «кислую тонкую материю, соединённую с флогистоном» [4]. Джозеф Пристли выделил кислород в 1774 г. нагреванием оксида ртути. Пристли считал, что полученный им газ представляет собой воздух, абсолютно лишённый флогистона, вследствие чего в этом «дефлогистированном воздухе» горение идёт лучше, чем в обычном. Большое значение для создания кислородной теории горения имели, кроме того, открытие водорода Г. Кавендишем в 1766 г. и азота Д. Резерфордом в 1772 г. (следует отметить, что Кавендиш принял водород за чистый флогистон). Значение сделанных Кавендишем, Шееле и Пристли открытий смог правильно оценить великий французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794). В 1774 г. Лавуазье публикует «Небольшие работы по физике и химии», где высказывает предположение о том, что при горении происходит присоединение к телам части атмосферного воздуха. После того, как Пристли в 1774 г. посетил Париж и сообщил об открытии «дефлогистированного воздуха», Лавуазье повторяет его опыты и в 1775 г. публикует работу «О природе вещества, соединяющегося с металлами при их прокаливании и увеличивающего их вес» (впрочем, Лавуазье приписывает приоритет открытия кислорода себе). Наконец, в 1777 г. Лавуазье формулирует основные положения кислородной теории горения: 1. Тела горят только в «чистом воздухе». 2. «Чистый воздух» поглощается при горении, и увеличение массы сгоревшего тела равно уменьшению массы воздуха. 3. Металлы при прокаливании превращаются в «земли». Сера или фосфор, соединяясь с «чистым воздухом», превращаются в кислоты [4]. Примечательно, что в своей работе «О горении вообще», излагая теорию, прямо противоположную теории флогистона, Лавуазье тем не менее отзывается о последней следующим образом: «Различные явления обжигания металлов и горения очень удачно объясняются гипотезой Шталя... но приходится допускать существование в горючих телах огненной материи» [5]. Новая кислородная теория горения (термин кислород - oxygenium - появляется в 1877 г. в работе Лавуазье «Общее рассмотрение природы кислот и принципов их соединения») имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с флогистонной. Она более проста, чем флогистонная, не содержит в себе «противоестественных» предположений о наличии у тел отрицательной массы, и, главное, не основывается на существовании субстанций, не выделенных экспериментально. Вследствие этого кислородная теория горения довольно быстро получает широкое признание среди естествоиспытателей (хотя полемика между Лавуазье и флогистиками длится почти два десятилетия). 2.2. Химическая революция Значение кислородной теории оказалось значительно большим, чем просто объяснение явлений горения и дыхания. Отказ от теории флогистона требовал пересмотра всех основных принципов и понятий химии, изменения терминологии и номенклатуры веществ. Поэтому с кислородной теории начинается переломный этап в развитии химии, названный «химической революцией». В 1785-1787 гг. четыре выдающихся французских химика - Антуан Лоран Лавуазье, Клод Луи Бертолле (1748-1822), Луи Бернар Гитон де Морво (1737-1816) и Антуан Франсуа де Фуркруа (1755-1809) - по поручению Парижской академии наук разрабатывают новую систему химической номенклатуры. Логика новой номенклатуры предполагает построение названия вещества по названиям тех элементов, из которых вещество состоит. Основные принципы этой номенклатуры используются до настоящего времени. В 1789 г. Лавуазье издаёт свой знаменитый учебник «Элементарный курс химии», целиком основанный на кислородной теории горения и новой химической номенклатуре. Появление этого курса собственно и ознаменовало, по мнению Лавуазье, химическую революцию (1789 - год начала Французской революции, одной из жертв которой станет в 1794 г. и Лавуазье). В «Элементарном курсе химии» Лавуазье приводит первый в истории новой химии список химических элементов (таблицу простых тел). Касательно земель Лавуазье на основании их абсолютной инертности к кислороду высказывает предположение о том, что земли представляют собой оксиды неизвестных элементов, впоследствии полностью подтвердившееся. Особую группу для земель в своей таблице элементов Лавуазье выделил, поскольку строго придерживался определения элемента, данного Бойлем: «Если мы... свяжем с названием элементов... представление о последнем пределе, достигаемым анализом, то все вещества, которые мы ещё не смогли никаким способом разложить, являются для нас элементами. ...Мы не можем уверять, что считаемое нами сегодня простым является таковым в действительности». Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием определения элемента опыт и только опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить опытным путём. Эту концепцию Лавуазье предельно ясно сформулировал в предисловии к своему учебнику: «Я не считал возможным уклониться от требований строгого закона - не заключать ничего сверх того, что даёт непосредственно опыт и не стараться спешными заключениями восполнять молчание фактов» [5]. Созданная Лавуазье рациональная классификация химических соединений основывается, во-первых, на различии в элементном составе соединений и, во-вторых, на характере их свойств (кислоты, основания, соли, солеобразующие вещества, органические вещества). При этом, как и Бойль, Лавуазье считает, что свойства вещества определяются его составом. Зависимость свойств вещества от состава, описанная Лавуазье, представляет собой закономерность, отражающую взаимосвязь между качественными и количественными характеристиками вещества [6]. Важнейшим результатом исследований Лавуазье явилось формулирование им закона сохранения массы. Проанализировав результаты собственных исследований количественного состава веществ и соотношения масс реагентов и продуктов реакции, а также результаты подобных исследований других учёных, Лавуазье показал, что во всех случаях масса веществ в ходе химических реакций не изменяется: «Можно принять в качестве принципа, что во всякой операции количество материи одинаково до и после опыта, что качество и количество начал остаются теми же самыми» [7]. Следует отметить, что Лавуазье выводит закон сохранения массы опять-таки исключительно из экспериментальных данных, не используя каких-либо теоретических предпосылок, не основанных на опыте. Химическая революция завершает период становления химии; она знаменует собой полную рационализацию химии, окончательный отказ от устаревших натурфилософских и алхимических представлений о природе вещества и его свойств. После химической революции химия вступает в период количественных законов, в котором создаётся и развивается новая концепция химического элемента - атомно-теоретическая. Заключение Термин «флогистон» введён в 1667 году Иоганном Бехером и в 1703 году Георгом Шталем для объяснения процессов горения. Флогистон представляли как невесомый флюид, улетучивавшийся из вещества при сжигании. В то время считалось, что металл — это соединение «земли» (оксида металла) с флогистоном, и при горении металл разлагается на «землю» и флогистон, который смешивается с воздухом и не может быть отделён от него. Открытое позже увеличение массы металла при прокаливании стали объяснять отрицательной массой флогистона. Способность выделять флогистон из воздуха приписывали растениям. Это теория была предшественницей кислородной теории горения. В середине XVIII века на авансцену вышла так называемая пневматическая химия, изучавшая газы с химической точки зрения. Одним из выдающихся ее достижений стало открытие кислорода. Понимание его природы как самостоятельного газообразного химического элемента позволило французу Антуану Лавуазье развенчать концепцию флогистона и сформулировать кислородную теорию горения. Вместе с крупными достижениями химического анализа это событие положило начало первой химической революции. Создание кислородной теории горения, разработка точных количественных расчетов в химии, поставивших ее на научную основу, есть результат бурного развития металлургии. Лавуазье создает кислородную теорию горения и обжига металлов. На смену мистическому флогистону приходит первая, действительно научная, материалистическая, химическая теория. В 1773 г. французский ученый Лавуазье экспериментально показал, что только одна пятая объема воздуха может соединяться с металлом. Таким образом была установлена кислородная теория горения. Создание антифлогистической химии благотворно отразилось на развитии как теоретических, так и экспериментальных исследований. Лавуазье во Франции успешно продолжали развивать основные положения кислородной теории горения и дыхания, объясняя с новых позиций различные химические явления и устраняя остатки флогистических воззрений и устаревших традиционных представлений. Список использованной литературы 1.Бабайцев А.В. История науки и техники: Конспект лекций / А.В. Бабайцев, В.О. Моргачев, В.Д. Паршин. - Рн/Д: Феникс, 2018. - 173 c. 2.Девисилов В. А. Теория горения и взрыва: учебник / В. А. Девисилов, Т. И. Дроздова, А. И. Скушникова. - М. : НИЦ ИНФРА-М, 2015. - 262 с. 3.Иванов А.Б. Химия - просто. История одной науки / А.Б. Иванов. - М.: АСТ, 2017. - 240 c. 4. История науки и техники: учеб. пособие / А.В. Бармин [и др.]; под ред. В.В. Запария. – 3-е изд., испр. и доп. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2019. – 254 с. 5. Лученкова, Е.С. История науки и техники [Электронный ресурс]: учеб. пособие. – Минск: Вышэйшая школа, 2018. – 175 с. 6.Надеждин Н. Я. История науки и техники; Феникс - Москва, 2017. - 624 c. 7.Поликарпов В.С. История науки и техники: Учебное пособие / В.С. Поликарпов, Е.В. Поликарпова. - СПб.: Лань, 2019. - 272 c. |