Хімічна спорідненість. Протягом всього 17 в. хіміки, міркуючи про «спорідненість» тенденції атомів до утворення сполук, слідували ідеям Бехера і Шталя, які класифікували всі речовини відповідно до їх здатності реагувати зі специфічними кислотами.

Дослідження спорідненості і складу різних типів речовин пішло по іншому руслу на початку 19 ст. з відкриттям нового аналітичного методу. У 1807 англійський хімік Хамфрі Деві (1778 - 1829) пропустив електричний струм, що отримувався від батареї з 250 металевих пластин, через розплавлений карбонат калію і отримав маленькі кульки металу, згодом названого калієм, а потім таким же способом виділив з соди натрій. Деві передбачив, що хімічна спорідненість зводиться до електризації атомів при контакті. Шведський хімік Йенс Якоб Берцеліус (1779 - 1848) уточнив і розвинув уявлення про атом і електричну спорідненість, запропонувавши першу концепцію хімічної взаємодії - електрохімічну теорію. Берцеліус вважав, що, оскільки солі в розчині під дією електричного струму розкладаються на негативні і позитивні компоненти, всі з'єднання повинні складатися з позитивних і негативних частин радикалів (дуалістична теорія Берцеліуса). Кисень найбільш електронегативний елемент, і ті елементи, які утворять з ним з'єднання з властивостями основ, електропозитивні, а ті, які утворять речовини з кислотними властивостями, електронегативні. У відповідності з цим Берцеліус отримав шкалу елементів, першим елементом якої був кисень, потім ішли сірка, азот, фосфор і т.д. з переходом через водень до натрію, калію і інших металів. До 1840-м років, однак, стало ясно, що електрохімічна теорія не може пояснити існування простих двоатомних молекул (наприклад, O2 і H2) або реакцію заміщення водню (позитивна спорідненість) хлором (негативна спорідненість).

Класифікація по атомній вазі. Зі часів Дальтона до 1860 в хімії не було точного визначення поняття атомної ваги. Система, заснована на «еквівалентній вазі», запропонована англійським хіміком Уїльямом Волластоном (1766 - 1828), спиралася на співвідношення, в яких елементи могли об'єднуватися, і кожний хімік міг скласти власний список атомної ваги. Не існувало ніякої відправної точки для створення системи елементів і ніякої угоди про те, як виражати склад сполук. У 1860 на першому Міжнародному хімічному конгресі в Карлсруе (Німеччина) італійський хімік Станіслао Канніццаро (1826 - 1910) знову повернув до життя забуту гіпотезу свого співвітчизника Амедео Авогадро (1776 - 1856), який, засновуючись на відкритті Люссаком закону об'ємних відносин, передбачив, що рівні об'єми газів містять однакове число молекул. Канніццаро стверджував, що за допомогою гіпотези Авогадро можна розмежувати поняття «атомна вага» і «молекулярна вага» для газоподібних елементів і внести ясність в питання про атомну вагу взагалі.

У 1869 великий російський хімік Дмитро Іванович Менделеєв, що був присутнім на конгресі в Карлсруе, опублікував свою періодичну таблицю. Всі відомі елементи він розташував відповідно до збільшення їх атомної ваги і розбив на періоди і групи, що відповідають зміні валентності. У таблиці були залишені пусті місця для ще невідкритих елементів; деяким з них Менделеєв навіть привласнив назви (экабор, экаалюміній і экакремній; префікс «эка» означає «одне і те ж»). Чудова точність періодичного закону була продемонстрована відкриттями галію в 1875, ідентичного по своїх властивостях экаалюмінію, скандія (экабора) в 1879 і Германія (экакремнія) в 1886.

Органічна хімія. Протягом всього 18 в. в питанні про хімічні взаємовідносини організмів і речовин вчені керувалися доктриною віталізму вчення, що розглядало життя як особливе явище, що підкоряється не законам світобудови, а впливу особливих життєвих сил. Цей погляд був успадкований і багатьма вченими 19 в., хоч його основи були розхитані ще в 1777, коли Лавуазье передбачив, що дихання процес, аналогічний горінню. Перші експериментальні підтврдження єдності неорганічного і органічного світу були отримані на початку 19 в.

У 1828 німецький хімік Фрідріх Велер (1800 - 1882), нагріваючи ціанат амоній (це з'єднання беззастережно прираховувалося до неорганічних речовин), отримав мочу продукт життєдіяльності людини і тварин. У 1845 Адольф Кольбе (1818 1884), учень Велера, синтезував оцтову кислоту з початкових елементів вуглеводу, водню і кисню. У 1850-е роки французький хімік Пьер Бертло (1827 -1907) почав систематичну роботу по синтезу органічних сполук і отримав метиловий і етиловий спирти, метан, бензол, ацетилен. Систематичне дослідження природних органічних сполук показало, що всі вони містять один або декілька атомів вуглеводу і дуже багато з них атоми водню. Внаслідок цих досліджень німецький хімік Фрідріх Серпень Кекуле (1829 - 1896) у 1867 визначив органічну хімію як хімію з'єднань вуглеводу. Новий підхід до органічного аналізу був узагальнений німецьким хіміком Юстусом Лібіхом (1803 - 1873) творцем знаменитої дослідницької і учбової лабораторії в Гісенському університеті. У 1837 Лібіх разом з французьким хіміком Жаном Батистом Дюма (1800 - 1884) уточнив уявлення про радикал як про специфічну незмінну групу атомів, що входить до складу багатьох органічних сполук (приклад радикал CH3). Стало ясно, що визначити будову великих молекул можна, лише встановивши будову певного числа радикалів.

Теорія типів. Відкриття і виділення величезного числа складних сполук гостро поставило питання про склад їх молекул і привели до необхідності ревізувати існуючу систему класифікації. До 1840-м років вчені-хіміки усвідомили, що дуалістичні ідеї Берцеліуса застосовні тільки до неорганічних солей. У 1853 була зроблена спроба класифікувати всі органічні сполуки по типах. Узагальнена «теорія типів» була запропонована французьким хіміком Шарлем Фредеріком Жераром (1816 - 1856), який вважав, що об'єднання різних груп атомів визначається не електричним зарядом цих груп, а їх специфічними хімічними властивостями. Жерар виділив чотири основних типи атомних груп, з яких, на його думку, і перебувають всі з'єднання як органічні, так і неорганічні.

Структурна хімія. У 1857 Кекуле, виходячи з теорії валентності (під валентністю розумілося число атомів водню, вступаючих в сполучення з одним атомом даного елементу), передбачив, що вуглець чотиривалентний і тому може сполучатися з чотирма іншими атомами, утворюючи довгі ланцюги прямі або розгалужені. Тому органічні молекули стали зображати не у вигляді комбінацій радикалів, а у вигляді структурних формул атомів і зв'язків між ними. До 1860-м років роботами Кекуле і російського хіміка Олександра Михайловича Бутлерова (1828 - 1886) був закладений підмурок структурної хімії, що дозволяє пояснювати властивості речовин, засновуючись на розташуванні атомів в їх молекулах.

У 1874 датський хімік Якоб Вант - Гофф (1852 - 1911) і французький хімік Жозеф Ашиль Ле Бель (1847 - 1930) розповсюдили цю ідею на розташування атомів в просторі. Вони вважали, що молекули не плоскі, а трьохмірні структури. Ця концепція дозволяла пояснити багато відомих явищ, наприклад просторову ізомерію, існування молекул однакового складу, але з різними властивостями. Дуже добре вписувалися в неї дані Луї Пастера (1822 - 1895) про ізомери винної кислоти.

До кінця 19 в. ідеї структурної хімії були підкріплені даними, отриманими спектроскопічними методами. Ці методи дозволяли отримувати інформацію про будову молекул виходячи з їх спектрів поглинання. До 1900 концепція трьохмірної організації молекул як складних органічних, так і неорганічних була прийнята практично всіма вченими.

Народження фізичної хімії. До кінця 19 в. з'явилися перші роботи, в яких систематично вивчалися фізичні властивості різних речовин (температури кипіння і плавлення, розчинність, молекулярна вага). Початок таким дослідженням поклали Люссак і Вант-Гофф, що показали, що розчинність солей залежить від температури і тиску. У 1867 норвезькі хіміки Петер Вааге (1833 - 1900) і Като Максиміліан Гульдберг (1836 - 1902) сформулювали закон діючої маси, згідно з яким швидкість реакцій залежить від концентрацій реагентів. Використаний ними математичний апарат дозволив знайти дуже важливу величину, що характеризує будь-яку хімічну реакцію, константу швидкості.

ДВАДЦЯТЕ СТОРІЧЧЯ

Нова структурна теорія. З розвитком фізичних теорій про будову атомів і молекул були переосмислені такі старі поняття, як хімічна спорідненість і трансмутація. Виникли нові уявлення про будову матерії.

Модель атома. У 1896 Антуан Анрі Беккерель (1852 - 1908) відкрив явище радіоактивності, виявивши спонтанне випущення солями урану субатомних часток, а через два роки дружина Пьера Кюрі (1859 - 1906) і Марія Кюрі (1867 -1934) виділила два радіоактивних елементи: полоній і радій. Відкриття Фредеріка Содді (1877 - 1956), що показало, що при радіоактивному розпаді відбувається перетворення одних речовин в інші, дало нове значення тому, що древні називали трансмутація.

У 1897 Джозеф Джон Томсон (1856 - 1940) відкрив електрон, заряд якого з високою точністю виміряв в 1909 Роберт Міллікен (1868 - 1953). У 1911 Ернст Резерфорд (1871 - 1937), виходячи з електронної концепції Томсона, запропонував модель атома: в центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, а навколо нього обертаються негативно заряджені електрони. У 1913 Нільс Бор (1885 - 1962), використовуючи принципи квантової механіки, показав, що електрони можуть знаходитися не на будь-яких, а на суворо визначених орбітах. Планетарна квантова модель атома Резерфорда примусила вчених по-новому підійти до пояснення будови і властивостей хімічних сполук. Німецький фізик Вальтер Коссель (1888 - 1956) передбачив, що хімічні властивості атома визначаються числом електронів на його зовнішній оболонці, а утворення хімічних зв'язків зумовлюється в основному силами електростатичної взаємодії. Американські вчені Гілберт Ньютон Льюїс (1875 - 1946) і Ірвінг Ленгмюр (1881 - 1957) сформулювали електронну теорію хімічного зв'язку. Відповідно до цих уявлень молекули неорганічних солей стабілізуються електростатичними взаємодіями між іонами, що входять до їх складу, які утворяться при переході електронів від одного елемента до іншого (іонний зв'язок).