Poglądy na temat budowy materii

Poglądy na budowę materii zmieniały się na przestrzeni wieków. To jak jest zbudowany Wszechświat było przedmiotem zainteresowań już starożytnych naukowców i filozofów. Zakładano wtedy , że podstawę budowy wszystkiego są cztery żywioły czyli ziemia, powietrze ogień oraz woda. Wielu filozofów zadawało sobie pytanie jaki był faktyczny początek całego istnienia. Nosił on nazwę "arche". I tak np. według Talesa z Miletu, żyjącego na przełomie siódmego i szóstego wieku przed nasza erą zakładał, że pierwszeństwo należy przypisać żywiołowi wody, że to właśnie w wodzie istnienie wzięło swój początek i tam będzie jego koniec. Według innego filozofa, Anaksymenesa z Miletu, żyjącego w szóstym wieku przed naszą erą początek wszystkiego stanowiło powietrze zwane inaczej tchnieniem. Analogią do tego była dusza człowieka , która stanowiła jego element integrujący.

W tym powietrzu właśnie według filozofa wykształcił się cały otaczający nas świat oraz wszystkie zjawiska z nim związane. Stało się tak na skutek powstawania najpierw zagęszczeń i rozrzedzeń w tym układzie.

Anaksymenes zakładał, że rozrzedzone powietrze odpowiada ogniowi, następnie na skutek wzrostu gęstości ulega przekształceniu kolejno podmuchy wiatru, wodę i wreszcie staje się ziemią.

Inny pogląd na powstanie świata miał Heraklit z Efezu. Według niego to ogień jest przyczyną wszelkiego istnienia.

Natomiast w piątym wieku przed nasza erą Demokryt z Abdery po raz pierwszy przyjął atomistyczną strukturę materii. Zakładał on, taka różnorodność materii w otaczającym człowieka świecie musi być związana z różnorodnością kształtów, liczby i sposobów rozmieszczenia atomów, czyli małych kulek, z których składa się materia.

W kolejnej epoce czyli w średniowieczu bardzo rozwinęła się alchemia. Panował pogląd , że substancje stanowią mieszaninę czterech żywiołów wymienianych przez starożytnych filozofów. Za dwa podstawowe pierwiastki uważano wtedy siarkę i rtęć. Sądzono, że inne znane wówczas pierwiastki takie jak srebro, złoto czy żelazo stanowią odpowiednią ich kombinację.

Ciała nie będące w całości zbudowane z wyżej wymienionych pierwiastków zyskiwały nazwę "ziemia" lub "kryształ" w zależności od stopnia twardości. W czasach średniowiecznych znano również kilka własności wody. Orientowano się, ze jest dobrym rozpuszczalnikiem dla wielu ciał stałych i innych cieczy. Natomiast nie były znane mechanizmy tego procesu. Próbowano tłumaczyć to faktem, że woda musi stanowić czysty pierwiastek. W średniowieczu znany był również alkohol, który nazywany był "duchem wina". Na początku dwunastego wieku jednemu z alchemików udało się doprowadzić do otrzymania kwasu solnego. Dokonał tego poprzez ogrzewanie siarczanów w środowisku soli. Kwas solny nazwano "duchem soli".

Nie znano jeszcze wówczas pojęcia - gaz jako odrębnego stanu skupienia wielu substancji. Nazwa ta została wprowadzona do terminologii dopiero w siedemnastym wieku przez Jana Baptistę.

W miarę odkrywania kolejnych pierwiastków została obalona teoria jakoby świat zbudowany był z czterech żywiołów. Zaczęto się orientować , że tych podstawowych substancji do budowy świata jest znacznie więcej.

Ni potrafiono tylko zrozumieć jak to się dzieje, że wiele substancji poddanych działaniu ognia czy wody zmienia swoje właściwości i przekształca się w inna substancję. Próbowano to tłumaczyć na różne sposoby. I tak niektórzy , w tym niemiecki lekarz G. Stahl wysunął tezę, że musi istnieć substancja, która w większym lub mniejszym stopniu zawierają wszystkie ciała , które poddają się ogniowi. Substancję taką nazwał flogistonem.

Był to odpowiednik starożytnego żywiołu ognia.

W wieku osiemnastym doszło do odkrycia tlenu i można było odrzucić teorię flogistonu. W tym samym czasie A. Lavoisier wprowadził metodę, dzięki której można było dokładnie wyznaczać masy produktów spalania.

Dzięki pracom m.in. Huygensa i Boyle'a oraz Newtona został przywrócony nauce pomysł atomu. Ten ostatni w swoich pismach przedstawił tezę, że materia składa się z malutkich i bardzo twardych cząstek. Tak twardych, że nigdy się nie zużywają. Przedstawił również pogląd na temat ich niepodzielności.

Mimo, ze były prowadzone liczne doświadczenia, których wyniki wskazywały na istnienie atomów to świat naukowy nadal podchodził do tego pomysłu sceptycznie. Dopiero Dalton udowodnił, że przyjmując odpowiednio sprecyzowane pojęcie atomu można wytłumaczyć podstawowe prawa chemii. Założenia teorii atomistycznej w ujęciu Daltona są następujące:

* wszystkie pierwiastki składają się z atomów, które są ich najmniejszą i niepodzielną częścią. Jednak zachowują wszystkie własności fizyczne i chemiczne atomów.

* wszystkie atomy danego pierwiastka są jednakowe i mają taką samą masę. Pomiędzy atomami różnych pierwiastków istnieją różnice w masie i właściwościach.

* natomiast gdy dochodzi do łączenia się atomów różnych pierwiastków to powstają wtedy związki chemiczne, przy czym atomy te muszą się łączyć w określonych proporcjach.

Drugie i trzecie założenie prowadzi do prawa stosunków stałych Prousta. Mówi ono, że każdy związek chemiczny ma ściśle określony stały skład ilościowy.

Natomiast prawo stosunków wielokrotnych Daltona mówi, ze jeśli dwa pierwiastko tworzą ze sobą więcej niż jeden związek chemiczny to ilości wagowe jednego z pierwiastków w stosunku do stałej ilości drugiego pierwiastka mają się do siebie jak proste liczby całkowite.

Kolejne prawo to prawo stosunków objętościowych Gay - Lussaca. Mówi ono, że w reakcji zachodzącej miedzy gazowymi substratami objętości substratów i produktów gazowych mierzone w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia maję się do siebie jak proste liczby całkowite.

Na drodze do pełnego zrozumienia pojęcia atomu dużą role odegrały doświadczenia Avogadra. Wysunął on tezę, że w pudełku wypełnionym jakimkolwiek gazem, w tych samych warunkach temperatury i ciśnienia zawsze będzie tyle samo cząsteczek.

Na początku wydawało się naukowcom, że to nie może być prawda. Nawet Dalton do tego twierdzenia odnosił się dość nieufnie. Ale wkrótce zrozumiano, że Avogadro ma jednak rację. Od tej pory możliwe było obliczenie wielkości atomu.

Można przeprowadzić hipotetyczny eksperyment, który pozwoli na oszacowanie jak duży jest atom. Najpierw należy założyć istnienie pudełka o takich rozmiarach aby w środku mieściło się zawsze tyle gazu ile wynosi jego masa cząsteczkowa. Eksperyment należy przeprowadzać w zerowej temperaturze i pod ciśnieniem jednej atmosfery. I teraz niezależnie od tego jaki gaz się tam znajdzie to zawsze będzie tyle samo cząsteczek. Taką liczbę cząsteczek określa się mianem liczby Avogadra. Rozważania te zbliżyły naukowców do pojęcia jak małe są rozmiary atomów. Jednak na pierwsze poprawne oszacowania wielkości atomów trzeba było czekać do początków dziewiętnastego wieku. Dokonał tego z pomocą przeprowadzanych doświadczeń Thomas Young. Dokonywał on pomiarów napięcia powierzchniowego wody i zakładał, że siła odpowiedzialna za napięcie powierzchniowe musi mieć jakiś związek z zasięgiem oddziaływań między cząsteczkami. Dzięki tym wynikom oszacował, że wielkość cząsteczek wody musi mieścić się w przedziale od 5 - 25 miliardowych centymetra.