Понятие «элемент» в истории химии развивалось со времен античной натурфилософии и всегда находилось в тесной взаимосвязи с понятием «атом». В греческой натурфилософии по вопросу о делимости материи можно выделить два основных подхода – континуализм и атомизм. Континуализм исходит из предположения, что материя непрерывна и делима до бесконечности, причем любая сколь угодно малая часть материи тождественна тому телу, делением которого она получена. Атомизм утверждает, что материя дискретна и состоит из множества неделимых частичек, атомов, движущихся в пустоте. По мнению Фалеса Милетского (ок. 625– 547 до н. э.), поскольку вещества способны к взаимопревращениям, все они – проявления одного основного вещества, «архесомы» (элемента). Учение Фалеса о существовании некоего первоначала всех веществ было принято большинством более поздних философов, различие взглядов выражалось лишь в вопросе о том, что является «первовеществом». У Фалеса это была вода, сгущением или разрежением которой образуются все остальные вещества. Анаксимен (585/560 – 525/502 до н. э.) из Милета отдает роль первоначала воздуху, Ксенофан(ок.570дон.э. – 475дон.э.) –земле,аГераклит Эфесский (544–483 до н. э.) – огню. Некоторые философы выражали сомнение в том, что все вещества могут иметь одно единственное первоначало, появились учения, в которых предполагалось несколько начал (элементов). Эмпедокл из Агригента (ок. 490–430 до н. э .) довел число элементов-стихий до четырех. Идею существования четырех начал всех вещей (элементов) – земли, воды, огня и воздуха – поддерживали такие философы античности, как Пифагор (ок. 570–500 до н. э .) и Платон (428– 348 до н. э.) . Физическое учение Платона изложено в диалоге «Тимей». Элементы, по его мнению, представлены числами, которые находятся в постоянной пропорции, то есть огонь относится к воздуху, как воздух к воде и как вода к земле. Платон также представил элементы в виде правильных многогранников, соотношение которых в каждом веществе определяет такие его свойства, как твердость, плавкость, воздухообразность, огнеобразность и др. До логического совершенства систему четырех стихий довел Аристотель из Стагиры (384– 322 до н. э.) . По мнению Аристотеля, четыре известные стихии являются различными состояниями первоматерии. Вместе с парами противоположных физических свойств элементы (стихии) были представлены в виде квадрата противоположностей. Важным моментом в учении Аристотеля является признание способности способность элементов к взаимопревращениям, что позднее стало основой алхимической идеи о возможных взаимопревращениях (трансмутациях) металлов. Кроме того, Аристотель предположил существование пятого элемента, эфира, из которого состоят небесные тела. Основным тезисом античного атомизма Демокрита из Абдеры (ок. 460–370 до н. э.) является следующее положение: «Нет ничего, кроме атомов, движущихся в бесконечной пустоте».
Основными характеристиками атомов, по мнению Демокрита, являются размер, форма и вес. Соединяясь между собой, атомы образуют новые вещества с различными свойствами. Таким образом, несмотря на принципиальные различия атомистического и континуального подходов, объединяло все античные натурфилософские школы то, что в качестве объекта изучения была выбрана некая первоматерия. Кроме того, любой из этих концепций присуща умозрительность, лишенная всяких эмпирических основ, а когда чувственные данные приводятся только в качестве иллюстраций. Следовательно, понятия «элемент» и «атом» в древнегреческой философии являлись практически неразделимыми. Они считались первоосновой материи, их представляли в виде стихий или неделимых мельчайших частиц вещества и наделялись теми или иными физическими свойствами.
В Средние века основные вопросы об атомах и элементах исследовались в алхимии. Алхимия зародилась в Египте, в Александрии, после завоевания Александра Македонского. Затем, после включения Египта в огромный Халифат, алхимией стали заниматься арабские мыслители. А к концу XI века интерес к алхимическим идеям возник и в Европе. Основной идеей алхимии на всех этапах ее становления был вопрос о трансмутации металлов, в результате которой можно получить золото. Возможность трансмутации обосновывалась алхимиками с помощью теории четырех элементов стихий и основывалась на учении Аристотеля.
На первом этапе развития алхимических учений были предложены символы основных металлов, таких, как золото, серебро, медь, ртуть, железо, олово, свинец, а также «элементов»: земли, воды, огня, воздуха, философской серы, философской соли и эликсира (впоследствии получившего название философского камня). Эти обозначения широко использовались химиками-эмпириками в последующие несколько веков.
К XIV веку стало ясно, что никакими известными на тот момент способами невозможно получить одни металлы из других. Да и острая необходимость в получении золота отпала с последовавшими географическими открытиями новых земель. Однако труды алхимиков внесли огромный вклад в становление и развитие не только экспериментальной и теоретической химии, но и основ химической технологии, медицины и фармакологии. Область, посвященная изобретению новых лекарств и изучению их влияния на организм, выделившаяся из алхимии, получила название «ятрохимии». Одним из ярких представителей этого направления, Яном Баптистом Ван Гельмонтом (1577–1664), был впервые поднят вопрос об истинных простых составных частях сложных тел. Он предложил считать простыми телами лишь те, которые могут быть выделены при разложении сложных тел. Это положение впоследствии сыграло важную роль в понимании химического элемента и простого вещества. Алхимический период развития химии заложил для последующих поколений обширную эмпирическую базу – сохранилось огромное количество подробных описаний опытов, рецептов, зародились методы исследования веществ, принципы работы простейших приборов, была создана химическая посуда. Вопросы об атомах и элементах в гораздо меньшей степени волновали исследователей, чем практическое приложение алхимии для решения ряда насущных проблем.
В начале XVII века зарождается экспериментальное естествознание, получившее философское обоснование в произведениях Ф. Бэкона. Он выдвинул тезис о том, что решающим доводом в научной дискуссии должен выступать эксперимент. Математик и философ Р. Декарт возрождает атомистические представления. Он утверждает, что все тела состоят из корпускул различной формы и размеров, корпускулы делимы и состоят из единой материи. Идеи о корпускулах, близкие к античным представлениям Эпикура, высказывал и французский философ П. Гассенди. Группы атомов, образующие соединения, Гассенди назвал молекулами, что вызвало широкое признание его теории естествоиспытателями. С именем британского ученого Р. Бойля связывают возникновение собственно научной химии. Его главной заслугой принято считать предложенную им новую систему химической философии, изложенную в книге «Химик-скептик» (1661). Книга была посвящена поискам ответа на вопрос, что именно следует считать элементами. Бойль приходит к выводу о том, что ни четыре стихии Аристотеля, ни принципы алхимиков не могут быть признаны в качестве элементов. Элементы, согласно Бойлю, – практически неразложимые тела, состоящие из сходных корпускул, из которых составлены все сложные тела и на которые они могут быть разложены. По сути дела он принимал синтез за критерий правильности анализа. Однако в своих трудах Бойль не назвал ни одного элемента, указав, что «не будет абсурдом, если предположить, что их число много больше трех или четырех»189. В результате тождество терминов «элемент» и «простое вещество» сохранялось вплоть до середины XIX века.
В XVIII веке появилась теория флогистона (теория о горении веществ), в которой элементы подразумевались как носители определенных свойств вещества. В противоположность ей в 1774–1777 годах возникла кислородная теория горения, автором которой считают А. Л. Лавуазье. По сути дела, с появлением этой теории и классификации элементов, разработанных Лавуазье, можно говорить о химической революции. По его словам, «все вещества, которые мы не смогли еще разложить, являются для нас элементами». Данную концепцию элементов принято называть эмпирико-аналитической, поскольку Лавуазье избрал критерием для их определения опыт, категорически отвергая любые неэмпирические рассуждения об атомах и молекулах, само существование которых невозможно подтвердить опытным путем. Созданная Лавуазье рациональная классификация химических соединений основывалась на различии в элементном составе соединений, при этом он считал, что свойства вещества определяются его составом. Таким образом, в период становления классической науки химия окончательно приобретает эмпирическую основу, что позволило переосмыслить понятия «вещество», «элемент», «атом», «молекула». Революция в химии была связана с открытием количественного характера законов, а также созданием и развитием атомно-теоретической концепции химического элемента.
К концу XVIII – началу XIX века были выявлены закономерности соотношения атомов в сложных соединениях и количеств веществ в реакциях: появились стехиометрические законы, закон эквивалентов и закон постоянства состава, которые должны были опираться на единые и четкие представления об атомах и химических элементах. Английский химик Д. Дальтон разработал атомно-молекулярную теорию, изложенную в его труде «Новая система химической философии» (1808). В основных положениях теории утверждается, что атомы различных элементов способны соединяться между собой в определенных соотношениях, а важнейшим свойством атомов является атомный вес, в результате появилась проблема определения атомных весов, чем и занялись большинство химиков в последующее время. Дальтон предложил также новые обозначения элементов в виде кружочков с точками и линиями внутри.
В 1814 году Берцелиус создал систему химических знаков для элементов в виде латинских букв, а под молекулами стали понимать составлением химических формул из знаков элементов с числовыми индексами. Эта система действует и по сей день.
Окончательную ясность в атомно-молекулярное учение внес Международный конгресс химиков, организованный в Карлсруэ 3 сентября 1860 года. На нем выступили многие известные ученые своего времени такие, как Д. И. Менделеев и С. Канниццаро. Конгресс в Карлсруэ ознаменовал долгожданное решение проблемы атомных весов, четко разграничив понятия «атом», «молекула», «элемент» и «эквивалент». Таким образом, к концу XIX столетия оформились основополагающие понятия атома и химического элемента. В ходе последующего развития науки выделилось два различных взгляда на эти понятия. Русская химическая школа вслед за Менделеевым четко разграничивает данные понятия. Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов; тогда как химический элемент – определенный вид атомов с одинаковым положительным зарядом ядра.
Такая трактовка химического элемента легла в основу созданных Д. И. Менделеевым в 1869 году периодического закона, а затем в 1871 году и периодической системы химических элементов. Именно разграничение понятий «атом» и «элемент» позволили Менделееву систематизировать накопленный экспериментальный опыт в изучении свойств веществ. По его представлениям, атомы составляют молекулы простых и сложных веществ, соединяясь друг с другом в различных соотношениях. А для систематизации всех известных веществ должно существовать искусственно введенное понятие элемента, которое бы объединяло атомы с одинаковыми свойствами и, будучи включенным в закономерную систему, давало нам представления о свойствах этих одинаковых атомов, возможных способах их соединения в молекулы вещества и о строении атомов. Гениальность законов, выявленных Менделеевым, заключается в их огромной предсказательной способности. С помощью построенной им системы элементов ему удалось предсказать еще не открытые элементы, а также описать их свойства. Дальнейшее развитие науки – открытие радиоактивности, электрона и других элементарных частиц, становление квантовой теории и развитие синергетики – не оказало особого влияния на понятие химического элемента. Естественно, представления об атоме очень бурно изменялись, однако атом для химии так и остался мельчайшей частицей вещества. Е. В . Биричева