6.2. Взаимосвязь химии с другими науками

Современную химическую теорию составляют четыре относительно замкнутые системы – так называемые концептуальные системы химии:

• учение о химических элементах и составе вещества;

• структурная химия;

• химическая кинетика (теория химического процесса);

• химия самоорганизации.

Концептуальные системы химии сформировались в ходе исторического развития химии. Каждая новая концептуальная система не отменяла и не поглощала предыдущую, а «надстраивалась» над ней.

Первый концептуальный уровень познания в химии связан с исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами, сложился в целом в начале XIX века. Уже на ранних этапах развития науки именно по составу реагирующих веществ пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Эта задача оказалась трудной, так как необходимо было понять, какие первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ. Истоком этого подхода можно считать атомистическую концепцию, возникшую еще в античности, сторонники которой пытались найти ту первооснову, тот первоэлемент, с помощью которых можно было объяснить свойства всех веществ. На эмпирическом и интуитивном уровне ученые поняли, что свойства веществ и химических соединений зависят от неких неизменных начал или носителей, которые стали называть элементами. Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи между ними и свойствами веществ охватывает значительный период в истории химии, начиная от гипотезы Р. Бойля и заканчивая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов. Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии до открытия в 1869 г. периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым не существовало такой объединяющей концепции, с помощью которой можно было бы объяснить весь накопленный фактический материал, т.е. представить все знание как систему теоретической химии. Менделеев Д.И., занимаясь вопросом систематизации химических элементов, разделил понятия вещества и элемента, установил связь между возрастанием атомной массы и изменением свойств элементов и сформулировал периодический закон: свойства элементов и образуемых ими тел находятся в периодической зависимости от их атомной массы. Основываясь на периодическом законе, ученый создал таблицу химических элементов, в которой отражается переход количественных изменений в качественные. В начале XX века благодаря научным исследованиям английских ученых Э. Резерфорда и Д. Чедвика возникло новое определение химического элемента. Вместо вещества, неразложимого на более простые, химический элемент стал пониматься как совокупность атомов с одинаковым зарядом ядра. Фундаментальная для химии теория химической связи была создана в первые десятилетия XX века после того, как атомная физика выяснила внутреннее строение молекул и вышла на атомный уровень. Большой вклад в теорию химической связи внесли Г. Льюис и И. Ленгмюр, открыв ионную и ковалентную связь.

Второй концептуальный уровень познания в химии связан с исследованием структуры, т.е. способа взаимодействия элементов веществ. Многочисленные эксперименты и производственная практика показали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от их взаимосвязи и взаимодействия в процессе реакции. Поэтому в процессе познания и практической деятельности необходимо учитывать структуру вещества, характер взаимодействия его составных элементов. Структурная химия, возникшая в русле развития учения о химических элементах к середине XIX века, сформировалась в основном благодаря трудам Кекуле, Купера, Бутлерова. Эволюция понятия химической структуры осуществлялась в направлении, с одной стороны, анализа ее элементов, а с другой,- установления характера физико-химического взаимодействия между ними. Это особенно важно для четкого понимания структуры с точки зрения системного подхода, где под структурой подразумевают упорядоченную связь и взаимодействие между элементами системы, благодаря которой и возникают ее новые целостные свойства. Задачей структурной химии является объяснение свойств изомеров и полимеров, исходя из их состава.

Третий концептуальный уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмов и условий протекания химических процессов и реакций. Химическая кинетика, или теория химического процесса, сложилась в рамках этапа формирования структурных теорий в конце XIX века, во многом благодаря работам Вант-Гоффа, Аррениуса, Белоусова, Жаботинского и др. Понимание химической кинетики как нового направления возникает в 30-х гг. XX века, когда создается теория элементарного акта химической реакции и учение о сложных химических реакциях, состоящих из множества последовательных элементарных стадий. Большое значение для развития этой теории имело изучение катализаторов – веществ, которые изменяют скорость реакций, но не входят в состав их конечного продукта. Кинетика химических систем стала изучаться с целью объяснения функций этих систем, их реакционных способностей. Реакционная способность вещества характеризуется не только перечнем свойств вещества, но и способом его реагирования, скоростями возможных реакций, их конечными продуктами. Чтобы объяснить реакционную способность, надо вникнуть в природу соответствующего химического процесса, раскрыть организацию реакционной системы, в которой протекает данный процесс. В химических реакциях важное значение приобретают каталитические процессы, роль которых усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Поэтому некоторые ученые связывают химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Частично химическая кинетика – результат физикализации химии. Теория элементарного акта химического процесса возникла на основе квантовой механики, в дальнейшем главной задачей химической кинетики становится задача изучения увязки элементарных актов в химическую реакцию, что решается на базе теоретической физики.

Четвертый концептуальный уровень познания является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно ускоряющих скорость их протекания. На этом уровне встречаются явления самоорганизации химических систем, изучаемые синергетикой. Теория самоорганизации зародилась при объяснении поведения химических систем – изменения их целостных характеристик. Самоорганизация реакционной системы – это структурирование, отражающее внутренние ресурсы этой системы. Химия самоорганизации заявила о себе в 70-х гг. XX века, для ее становления большое значение имела история реакции Белоусова-Жаботинского, где модулируя процессы, связанные с циклом лимонной кислоты, была открыта так называемая колебательная реакция. В дальнейшем, в нелинейной и неравновесной термодинамике, разработанной И.Пригожиным, нашла объяснение эта колебательная реакция – при достаточно сильном отклонении от термодинамического равновесия система обретает новый порядок, поддерживаемый за счет поступления в систему энергии или вещества и оттока их из системы.