3. Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определенного момента накапливались эмпирически. Но когда их стало очень много, назрела необходимость в классификации и систематизации. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Попытки объединения элементов в группы предпринимались и до него. Однако не были найдены причины изменений свойств вещества.

Д.И. Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть Периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов.

До системного подхода Д.И. Менделеева учебники по химии были очень громоздкими. В 1868 – 1871 гг. появился учебник Д.И. Менделеева «Основы химии», построенный на основе естественнонаучных обобщений. В нем была собрана масса сведений, сформулированы четкие и ясные идеи. Все частные факты были отражены в форме единой логической стройной системы и оказались представлены рельефнее и даже полнее, чем в многотомных учебниках.

С момента выхода учебника Д.И. Менделеева количество фактических данных возросло в тысячи раз. Имеются сведения о 8 млрд. индивидуальных химических соединений постоянного и миллиардах переменного составов. Наряду с классическими отраслями химии (органической, неорганической, аналитической, физической) появились сотни новых. Например, химия элементоорганических соединений, нефтехимия, химия силикатов и др.

Однако всю эту необозримую картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химических знаний. Их можно представить следующим образом:

4. Эволюционная химия

3. Учение о химических процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе

1660-е гг. 1800-е гг. 1950-е гг. 1970-е гг Настоящее время.

Данная схема показывает, что в развитии химии происходило последовательное появление концептуальных систем, причем каждая новая возникала на основе научных достижений предыдущей, опиралась на нее и включала ее в себя в преобразованном виде.

Как известно, первым положил начало современному представлению о химическом элементе как о «простом теле» Р. Бойль. Однако химики в то время еще не знали ни одного химического элемента. Фосфор был открыт в 1669 г. и (повторно в 1680 г.), кобальт – в 1735 г., никель – в 1751 г., водород – в 1766 г., фтор – в 1771 г., азот – в 1772 г., хлор и марганец – в 1774 г. Кислород был открыт одновременно в Швеции, Англии и Франции в 1772 – 1776 гг.

Открыв кислород и установив его роль в образовании кислот, оксидов и воды, А. Лавуазье создал принципиально новую теорию химии. Лавуазье принадлежит первая в истории попытка систематизации химических элементов. Он включил в свою систему кислород, водород, азот, серу, фосфор, углерод, семь известных к тому времени металлов, а также... известь, магнезию, глинозем и кремнезем, потому что они не поддавались дальнейшему разложению.

Так, в системе элементов Лавуазье оказалась ошибка, которую в дальнейшем удалось исправить Д.И. Менделееву. Он доказал, что показателем химического элемента является его место в Периодической системе, определяемое по заряду атомного ядра.

Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 элемента. В 1930-е гг. система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В дальнейшем элементы открывались путем физического синтеза атомных ядер (по 110-й).

Проблема химического соединения до недавнего времени у химиков не вызывала споров. Было общепринято, что нужно относить к химическим соединениям, а что – к «простым телам» или смесям. Однако применение в последнее время физических методов исследования вещества открыло физическую природу химизма, которая заключается во внутренних силах, объединяющих атомы в молекулы как единую квантово-механическую систему. Этими силами являются химические связи, а они представляют собой проявление волновых свойств валентных электронов.

Электрон – двойствен. Он и частица, и волна, и точечный заряд, и подобие непрерывного по своему строению электронного облака, располагающегося в поле действия атомных ядер. Химические связи – это обменное взаимодействие электронов, обобщение валентных электронов, «перекрывание электронных облаков». Классическое понятие молекулы в результате раскрытия физической сущности химической связи претерпело изменения. Молекулами теперь называют и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образованные за счет водородных связей. Поэтому такие неорганические вещества, как оксиды металлов, хлориды, сульфиды, нитриды металлов, относят к веществам молекулярного строения, не имеющим постоянного состава.

В результате того, что физика открыла природу химизма как обменного взаимодействия электронов, химия стала принципиально по-новому решать и проблему химического соединения. Химическое соединение определяется как качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Однако, в настоящее время на все более значимые позиции выдвигается не самоизучение химических соединений, а проблема вовлечения новых химических элементов в производство материалов связана с такими фактами, как: 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: 47,0% – кислород, 27,5% – кремний, 8,8% – алюминий, 4,6% – железо, 3,6% – кальций, 2,6%, – натрий, 2,5% – калий, 2,1% – магний. Однако эти ресурсы используются неравномерно. Например, железа содержится в Земле в два раза меньше, чем алюминия. В то же время более 95% металлических изделий – конструкций, самых разнообразных машин и механизмов, транспортных путей производится из железорудного сырья.

Широкая распространенность кремния (97% массы земной коры составляют силикаты) дает основание утверждать, что силикаты должны стать основным сырьем для производства практически всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Металлы и керамика – два вида материалов, которые на 90% составляют материальную основу условий жизни человечества. В мире ежегодно производится 600 млн. т металла – более 150 кг на каждого жителя планеты. Керамики вместе с кирпичом изготовляется примерно столько же. Однако металл в производстве обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем керамика. На основе современных достижений химии появились возможности замены металлов керамикой в различных областях человеческой деятельности.

Керамические изделия имеют плотность на 40% ниже плотности металлов, что позволяет снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А благодаря внедрению в ее производство новых химических элементов (циркония, титана, бора, германия, хрома, молибдена, вольфрама и др.) стали получать изделия с заранее заданными специальными свойствами – огнеупорную, термостойкую, хемостойкую, высокотвердую, а также керамику с набором заданных электрофизических свойств.

В нашей стране в 1960-х гг. впервые в мире получен сверхтвердый материал – гексанит. Это одна из кристаллических разновидностей нитрида бора с температурой плавления 3200°С и твердостью, близкой к твердости алмаза. Данный материал обладает рекордно высокой вязкостью, у него отсутствует хрупкость, присущая керамике. Такая керамика производится методом прессования порошков с получением необходимых форм и размеров, что делает ненужной дальнейшую обработку. Кроме того, создана керамика, обладающая сверхпроводимостью при температуре выше температуры кипения азота (– 195,8°С). Это открывает перспективы для создания сверхмощных двигателей и электрогенераторов, транспорта на магнитной подушке, для разработки сверхмощных магнитных ускорителей для вывода полезных грузов в космос и т. п.

Начиная с середины XX в. новые химические элементы стали использоваться и в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. В результате появились целые области элементоорганических соединений, одну часть которых начали применять в качестве химических реагентов для лабораторных исследований, а другую – для синтеза уникальных материалов.