5.3. Концептуальные системы химических знаний

Наряду с классическими отраслями химии (органической, неорганической, аналитической, физической) появились сотни новых. Однако всю эту необозримую картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химических знаний.

1. Учение о составе (1660-е гг).

2. Структурная химия ( 1800 –е гг.)

3. Учение о химических процессах (1950 – е гг).

4. Эволюционная химия (1970-е гг. – настоящее время)

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.

Рассмотрим детальнее все четыре концептуальные системы химии.

5.3.1. Проблемы элементного и молекулярного состава и их решение

При исследовании состава решались три главные проблемы:

1) проблема химического элемента; 2) проблема химического соединения; 3) проблема вовлечения все большего числа химических элементов в производство новых материалов.

По отношению к этим трем проблемам все остальные, пусть даже и очень важные, носят частный характер.

1. Проблема химического элемента. Первым положил начало современному представлению о химическом элементе как о "простом теле", или как о пределе химического разложения вещества Р. Бойль. Однако химики в то время еще не знали ни одного химического элемента.

Открыв кислород и установив его роль в образовании кислот, оксидов и воды, А.Л. Лавуазье отверг господствовавшую в химии XVIII в. ложную теорию флогистона – "огненная материя", якобы содержится во всех горючих веществах и выделяется из них при горении. Он создал принципиально новую теорию химии. Лавуазье принадлежит первая в истории попытка систематизации химических элементов.

Д.И. Менделеев доказал, что показателем химического элемента является его место в Периодической системе, определяемое по атомной массе. Дальнейшие уточнения показали, что место элемента в Периодической системе оказалось не просто его порядковым номером: не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента.Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 элемента, в настоящее время около 120.

2. Решение проблемы химического соединения. 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.

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.

3. Проблемы вовлечения новых химических элементов в производство материалов. 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. 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.

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.