u_lectures

химического вещества в целях получения материалов с заданными свойствами. Руководствуясь этой идеей, рассмотрим развитие концептуальных систем классической химии и возникновение концептуальных систем химии неклассической.

1.Первая концептуальная система химии – учении о химическом составе.

Первую научную программу исследования вещества предложил Р. Бойль – учение о качественном элементарном химическом составе. Эта программа опиралась на идеи научной атомистики и ориентировала ученых на поиск элементов и на исследование элементарного состава сложных веществ.

Спор К. Бертолле и Ж.Л. Пруста привел к открытию первого стехиометрического закона – закона постоянства состава. Пруст утверждал и доказывал экспериментально, что состав каждого индивидуального химического соединения постоянен, и этот факт не зависит от экспериментатора. А, значит, и нет никакой разницы между искусственно созданными и аналогичными природными соединениями [3.С.53]. Бертолле считал и доказывал, что во всех химических соединениях существуют неощутимые градации в соотношении составных частей [4.С.202], а, следовательно, состав зависит от способа получения. Хотя Бертолле и не утверждал, что свойства химических веществ зависят от экспериментатора, он настаивал на объективности исследуемого им явления, но научное сообщество не приняло его идей и их доказательств. Если опыт зависит от условий, то есть, не однороден, то можно было сомневаться в объективности полученных результатов. Бертолле обвинили в том, что он не смог достигнуть в своих исследованиях воспроизводимого результата, и его идеи были забыты почти на сто лет.

Дальнейшее развитие учения о составе и формирование атомистической парадигмы связано с именем Дальтона. В отличие от своих предшественников Дальтон полностью избавился от метафизических

неизменны. Атомы простых веществ согласно Дальтону одинаковы между

фундаментальной характеристикой атома. Собственно благодаря этим идеям Дальтона считают отцом химической атомистики.

Идеи Дальтона дали новое направление химическим исследованиям вещества. Ближайшей задачей химиков стало установление относительных атомных весов известных химических элементов. Для определения

элементарный состав. Если качественный состав установить было не сложно, то для установления количественного состава нужно было знать формулу

Решение задачи определения качественного и количественного состава вещества позволило учению о составе стать господствующей концепцией в химии первой половины XIX века. Состав вещества понимался как выражение тех превращений, к которым оно способно. Зная состав вещества можно теоретически объяснять и предсказывать его превращения. В рамках учения о составе был открыт периодический закон Д.И. Менделеевым. Открытие факта изомерии заставило химиков задуматься о границах применимости учения о составе, но к кризису концепции не привело.

В начале XX века Н.С. Курнаков проверил закон постоянства состава методами физико - химического анализа и доказал правоту Бертолле. Н. С. Курнаков показал, что есть соединения, изменяющие свой состав в широких пределах без нарушения однородности. Он назвал эти соединения бертоллидами. Тем самым классические представления о постоянстве состава подверглись критическому переосмыслению.

2. Вторая концептуальная система химии – структурные теории

Становление второй концептуальной системы химии связано с молекулярным учением Ш. Жерара. Идеи молодого ученного встречали сильное сопротивление представителей дальтоновской атомистики, которая к тому времени стала господствующим учением в химии. Жерар не отрицая неделимость атома, отрицал самостоятельное существование его как дискретной физической частицы. Самостоятельным физическим существованием обладает, по его мнению, молекула. Она же является мельчайшей частицей вещества сохраняющей его физические и химические свойства. Со времен Жерара молекулярное учение стало развиваться на материале органической химии.

К середине XIX века завершилось формирование мирового научного сообщества. Свидетельством тому стал первый международный конгресс химиков, собравшийся в Карлсруэ в 1860 году. Целью конгресса было

выражать атомный состав соединений, по их составу в весовых процентах и широко использовать уравнения химических реакций. Молекулярные учения

пришедшие в химическую науку вместе с молекулярным учением. Мысль о постоянном движении атомов в молекуле обосновывалось в то время также физическими теориями теплоты.

Важную роль в трансформации идей химического динамизма в идеи химической статики сыграло учение о равновесии. Идея химического равновесия заключалась в равенстве внутренних силовых характеристик вещества, что существенно обогащало химическую статику. Химическая статика в этом случае понималась как подвижное, динамическое равновесие в химической системе. Идеи подвижного равновесия взаимодействующих в молекуле атомов высказывали многие мыслители того времени, в том числе и создатели теорий химического строения Кекуле и Бутлеров. Внутримолекулярное химическое равновесие – и есть ни что иное, как химическое строение унитарной системы. Такова основная идея теории химического строения. Тем самым, изгнав динамику из химической теории, химическая статика в обновленном развитом виде стала решать задачи рациональной реконструкции строения химических веществ.

Для того чтобы ответить на вопрос о том, как связаны атомы в молекуле одной идеи химического равновесия было не достаточно. Для этого надо было знать, какое число химических связей может образовать тот или иной атом в соединении. Выдумать это произвольно было нельзя. Развитие химической атомистики привело к созданию теории валентности. Атом был наделен фундаментальным свойством наряду с атомным весом - валентностью. Валентность понималась, как целочисленная характеристика способности свободного атома присоединять или замещать определенное количество других атомов.

Зная валентности элементов образующих молекулу можно было предполагать различные графические модели их химического строения.

соединения, отдать предпочтение какой то одной модели теоретически было пока невозможно. И только опыт решал, какие из этих формул лучше объясняют строение вещества. Как утверждает Л. Грэхэм, ссылаясь на исследователей творчества Августа Кекуле, создатель теории валентности не придавал объективной значимости своим умозрительным графическим построениям химического строения. [2.С. 299]. Более того, ссылаясь на Р. Партингтона, Грэхэм утверждает, что во времена Кекуле стремление иметь собственный набор формул рассматривалось как проявление независимости мышления химика [2.С. 292], выражение его личной манеры мыслить.

Положение дел изменилось, в отношении исследования строения органических веществ, после того как Карл Шорлеммер, принимая

познания свойств химического вещества, основанием для которой является

чего не хватало гипотезе расположения атомов в пространстве – надежного экспериментально контролируемого опыта, позволяющего установить это расположение. Исследования Вант-Гоффа и Ле Беля привели к созданию стереохимического учения.

Вант-Гофф сумел более последовательно проводить идеи стереохимического учения, чем Ле Бель. Объясняя все наблюдаемые факты

показывают Ю.И. Соловьев и П.И. Старосельский Вант – Гофф, опираясь на

строения атома. Он предполагал, что атомы, притягивая друг друга силами химического сродства, вызывают тем самым деформацию шарообразной формы атома в этом направлении. Тем самым, действия сил химического сродства ослабляется в других направлениях. Так получается известное число направлений максимального действия сил химического сродства, которое соответствует числу валентности химического элемента [7.C.97].

Знакомство с теорией строения комплексных соединений интересно тем, что здесь впервые обнаружилась ограниченность учения о валентности

максимальные валентные возможности. А. Вернер решая проблему строения

равномерно ко всем частям его шарообразной поверхности. Взаимодействуя с другим атомом атом, затрачивает часть своего химического сродства соответствующей кругообразному участку его шарообразной поверхности. Вернер назвал этот участок “связевой поверхностью”, а поверхность соприкосновения двух шарообразных атомов – “валентным местом”. При образовании химической связи часть связевой поверхности закрывается, другая же часть остается свободной. Число кругообразных участков, образующихся на шаровой поверхности атома, будет определять

поверхности атома определяет его “остаточное сродство”.

Такая модель атома позволила предположить, что строение

элементарных атомов. Координационное число указывает на максимальное число атомов и атомных групп, которые могут находиться в прямой связи с данным атомом. Таким образом, Вернер наделил атом наряду с валентностью координационным числом. Он придавал большое значение координационному числу, считая, что оно позволит создать теорию строения неорганических строений подобно тому, как учение о валентности позволило создать учение о строении органических веществ.

Успехи молекулярного учения и теории химического строения в конце XIX века способствовали возведению этих идей в образец научной мысли. Однако желание распространить структурные представления за пределы органической химии, столкнулось с серьезными препятствиями и позволило осознать ограниченность данных учений. Поэтому исследование строения неорганических соединений, металлорганических соединений, кластеров продвигалось вперед не столько благодаря теории химического строения, сколько благодаря появлению качественно новых физических методов исследования вещества: рентгеновским методам, методам дифракции нейтронов и электронов, ядерному магнитному резонансу, электронному парамагнитному резонансу, ядерному квадрупольному резонансу и другим. Полученные результаты совершенно не укладывались в классические

химических связей в которых, во много раз превышало валентные

возможности составляющих их химических элементов. Указанные факты способствовали критическому преобразованию классического учения о валентности как абсолютной целочисленной характеристики атома.

Особенности строения неорганических соединений обусловили постоянную химическую подвижность составляющих их атомов, что не наблюдается в молекулярных системах.

А.Н. Несмеянов и сотрудники, исследуя явление таутомерии органических соединений, были вынуждены признать свою неспособность установить строение молекул в ходе химических превращений. Обнаруженный ими факт двойственной реакционной способности органических соединений не укладывался в рамки классической структурной химии [6.С.71-87.]. Данный факт указывал на относительность реакционной способности вещества, а, следовательно, на невозможность однозначно выразить ее составом и химическим строением.

Эти и другие открытия в структурной химии заставили задуматься об отношении классических моделей строения вещества и реального строения. Кроме того, под сомнение была поставлена сама возможность установления реального химического строения реагирующих веществ.

Пожалуй, самым важным событием теоретической химии первой половины XX века стали дискуссии вокруг теории резонанса. Теория резонанса была разработана в 30-х годах Лайнусом Полингом, несколько раньше эти идеи были развиты К. Ингольдом в Англии и известны под именем мезомерия. В этих теориях для объяснения свойств химической индивидуальности, использовался набор резонансных структур, каждая из которых могла стать реакционной формой вещества в зависимости от природы сореагента. Тем самым подчеркивалось, что наши графические изображения химического строения вещества это своего рода способ описания не имеющий физического смысла. Множественность структур и отсутствие у них однозначной связи с реальным строением молекулы отчасти напоминали период становления структурной химии XIX века, когда каждый самостоятельно мыслящий химик стремился иметь свой набор химических формул вещества.

Дискуссии о резонансе и вообще, о судьбах структурной химии стали началом всесторонней критики классических идеалов познания, классического мышления. Эти дискуссии дали толчок к всестороннему философско-методологическому осмыслению проблем научной химии.

3. Третья концептуальная система химии – химическая кинетика и катализ

История учения о химическом процессе – это история соперничества физических и химических учений. Уже у истоков формирования классического понимания химического процесса мы видим столкновение физических и химических идей. Таков знаменитый спор Берцелиуса и Ю. Либиха.

неизменном виде, не включаясь в продукты. Химики времен Дальтона воспринимали это явление как загадочное.

В первой трети XIX века реакций, протекающих с нарушением химической стехиометрии, было открыто довольно много. Возникла задача

Либих создал первую универсальную физическую теорию катализа. Он сформулировал закон химической инерции, согласно которому химические

Под внешними факторами он понимал теплоту, свет или физический контакт, нарушающие состояние сцепления химических элементов в веществе. Отклонение от стехиометрии Либих связывал с непрерывностью химического взаимодействия, вызванного действием этих причин. Катализ

Так как взаимодействие катализатора с реагентами рассматривалось как физическое взаимодействие, и участием катализатора можно было пренебречь в стехиометрических расчетах. Превращение же реагентов под

воздействием катализатора подчинялось химической стехиометрии. Данное обстоятельство и обусловило господство физических теорий в изучении химического процесса. Как видим, физические теории, исследуя химический процесс, отвлекаются от механизма химического превращения, предполагая, что реакция протекает как бы в одну стадию. Тогда как любой практик знает, что химические реакции порой протекают очень медленно и дают много побочных продуктов теоретически не ожидаемых.

Химические теории катализа стали возникать в связи с успехами теорий химического строения. Г.И. Гесс, А.И. Ходнев, А.М. Бутлеров, В.В. Морковников, исследуя механизм химического превращения органических

превращение стехиометрическим законам. Катализатор при этом понимался как обычное химическое вещество, которое в ходе химического превращения

открытого употребления времени в химических теориях» [1.С.187]. В самом деле, в физических учениях о химическом процессе время хотя и вводится

Бутлеров, а также другие мыслители того времени использовали идею динамического равновесия для характеристики взаимного влияния атома в молекуле, что позволяло рационально воспроизводит внутримолекулярный динамизм учением о химическом строении. В 1864 – 1867 годах К. Гульдберг и П. Вааге утверждали, что в химии, как и в механике, наиболее естественным методом будет определение сил в их состоянии равновесия,

реагирующих веществ. Динамический характер химического равновесия раскрывает принцип Ле-Шателье, сформулированный в 1884 году: если на равновесную систему производить внешнее воздействие, то равновесие смещается в сторону этого воздействия до тех пор, пока нарастающее в системе противодействие не станет равно внешнему действию.

Объединение к концу XIX века термохимических исследований реакций и учения о химическом равновесии позволило химической термодинамике установить, что химические силы, действующие между веществами, зависят от температуры, давления, строения и относительных количеств реагирующих веществ и дать точный метод количественного измерения этих сил, но вопрос о механизме химического взаимодействия не