Философские проблемы науки и техники

Электроны в атоме обладают кинетической и потенциальной энергией, их алгебраическая сумма и есть энергия, необходимая для отрыва электрона от атомного ядра.

Скорость химических реакций зависит:

–от природы реагирующих веществ;

–концентрации реагирующих веществ;

–температуры.

Многие реакции протекают очень медленно, если просто смешать реагирующие вещества, но их можно ускорить путем введения некоторых других веществ, называемых катализаторами. При реакции они не расходуются, а только ускоряют реакцию, которая может происходить и без них, но значительно медленнее.

Очень большое число катализаторов, называемых ферментами, содержится в живых тканях. К примеру, наиболее известны ферменты пищеварительной системы – птиалин, содержащийся в слюне, и пепсин, вырабатываемый поджелудочной железой. Оба эти фермента способствуют разрушению больших молекул (например, крахмала и белка) на более простые молекулы, которые легко усваиваются клетками организма.

В организме существует большое количество и других ферментов, принимающих участие в биохимических реакциях.

Таким образом, химия изучает химические элементы, процессы химического взаимодействия различных веществ, проблемы получения новых веществ с заданными свойствами и множество других проблем, возникающих в процессе развития химических знаний.

5.2. Методы и концепции познания в химии

Химические знания до определенного времени накапливались эмпирически (опытным путем), пока не назрела необходимость в их классификации и систематизации, т.е. в теоретическом обобщении. Основоположником системного

81

освоения химических знаний явился Д.И. Менделеев. Он исходил из принципа, что любое точное знание есть система. Такой подход позволил ему в 1869 году открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. В его системе основной характеристикой элементов являются их

атомные веса.

Периодический закон Д.И. Менделеев сформулировал так: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины атомных весов элементов.

В современном представлении (исходя из строения атома) периодический закон Д.И. Менделеева формулируется следующим образом: строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодической зависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимися однотипными электронными конфигурациями их атомов.

Современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов:

 Закон сохранения массы (масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции).

Закон сохранения энергии (при любых взаимодействиях, имеющих место в изолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишь переходы из одного вида энергии в другой).

Закон постоянства состава (любое химически индивидуальное соединение имеет один и тот же количественный состав независимо от способа его получения).

Закон кратных отношений (если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то массы одного из элементов, приходящихся в этих соединениях на одну

иту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа).

82

Закон объемных отношений (при одинаковых условиях объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов реакции как небольшие числа).

Закон Авогадро (в равных объемах любых газов, взятых при одной и той же температуре и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул).

Современная картина химических знаний строится на четырех концептуальных системах:

1.Учение о составе вещества (1660–1800);

2.Структурная химия (1950-е гг.);

3.Учение о химических процессах (1970-е гг.);

4.Эволюционная химия (настоящее время).

Учение о составе вещества

Научное определение химического элемента сформулировал английский физик и химик Р. Бойль. Необходимо было понять разницу между смесями веществ и так называемыми чистыми составляющими этих веществ. Первым был открыт химический элемент фосфор (1669), потом кобальт, никель и др. Само название «элемент» даетуказаниенаструктурноеисследованиевещества.

Открытие А. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от теории флогистона (огненная материя).

В Периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в настоящее время – 118 элементов. Может быть открыто еще 50! Их удельное содержание в природе неравномерно. Так, 98,6 % массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород – кремний – алюминий – железо – кальций – натрий – калий – магний. Кислород – это самый распространённый на Земле элемент; в виде соединений составляет около 1/2 массы земной коры; входит в состав воды (88,8 % по массе) и многих

83

тканей живых организмов (около 70 % по массе). Свободный кислород атмосферы (20,95 % по объёму) образовался и сохраняется благодаря фотосинтезу. Кислород (или обогащённый им воздух) применяется в металлургии, химической промышленности, медицине, кислороднодыхательных аппаратах. Жидкий кислород – компонент ракетного топлива.

Всовременной химии концепция химического элемента выступает как проблема рационального использования химических элементов.

Д.И. Менделеев доказал, что свойства химических элементов зависят от места данного элемента в периодической системе, определяемого зарядом ядра атома. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную (из возможных) атомную массу при 6–7 электронах на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Они стремятся достроить свою электронную оболочку, присоединив недостающее число электронов. Активными являются также металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1–2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся их отдать для его достройки. Важным является понятие валентности – способность атома к образованию химической связи. Химические связи представляют собой обменное взаимодействие электронов.

Врезультате химических и физических открытий изменилось классическое определение молекулы. Молекула понимается как наименьшая частица вещества, которая в состоянии определить его свойства и существовать самостоятельно. Расширились представления о классе молекул, сюда включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры.

84

С открытием физиками природы химизма (как обменного взаимодействия электронов) химики по-иному стали рассматривать химическое соединение.

Химическое соединение – это качественно определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы – молекулы, комплексы, монокристаллы.

Химическое соединение – понятие более широкое, чем «сложное вещество», которое должно состоять из двух и более разных химических элементов. Химическое соединение может состоять и из одного элемента (это молекулы Н2, О2, графит, алмаз идругиекристаллыбезпостороннихвключенийвихрешетку).

Структурная химия

Структурная химия представляет собой уровень развития химических знаний, на котором доминирует понятие «структура», т.е. структура молекулы, макромолекулы, монокристалла.

Структура – это устойчивая упорядоченность качественно независимой системы, каковой является молекула. Возникновение структурной химии привело к возможности целенаправленного качественного преобразования веществ, для создания схемы синтеза любого химического соединения. Еще в 1857 году немецкий химик Ф. Кекуле показал, что углерод четырехвалентен и это дает возможность присоединить к нему

до четырех элементов одновалентного водорода:

H

H C H

H

85

Азот может присоединить до трех одновалентных элементов, кислород до двух.

Эта схема Кекуле натолкнула исследователей на мысль о механизме получения новых химических соединений. Русский химик А.М. Бутлеров заметил, что в таких соединениях большую роль играет энергия, с которой вещества связываются между собой. В настоящее время структура молекулы понимается как ее пространственная и энергетическая упорядоченность.

Появление этой теории превратило химию из науки аналитической, занимающейся изучением состава готовых веществ, в науку систематическую, способную создавать новые вещества и новые материалы. За вторую половину XIX века число изученных органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

Но дело в том, что структурная химия ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Тем не менее современная структурная химия достигла больших результатов: большая часть лекарственных препаратов – это продукты органического синтеза. Самым последним ее достижением является открытие совершенно нового класса металлоорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых соединений». Молекула этого вещества представляет собой две пластины, между которыми находится атом какого-либо металла. Наиболее изученным из них является ферроцен, у которого катион железа Fe2+ координируется между двумя пятичленными ароматическими кольцами. Еще более поразительной и необычной является структура молекул, существующих в непрерывном перестроении. Такова, в

86

частности, молекула бульвалена С10Н10. Его можно представить в виде шара, по поверхности которого с огромной скоростью перемещаются 10 атомов углерода и 10 атомов водорода, имитируя таким способом симметрию молекулы или компенсируя отсутствие симметрии, что необходимо для устойчивого состояния данной структуры. Эта молекула представляет собой своеобразную постоянно протекающую химическую реакцию.

Проблемы структурной неорганической химии это, по существу, проблемы химии твердого тела.

Современные структурные теории твердого тела сегодня дают соответствующие рекомендации для решения очень важных проблем: получение материалов с высокой механической прочностью, термической стойкостью и долговечностью в эксплуатации; создание методов получения кристаллов, содержащих заранее запроектированные дефекты решетки (чтобы получить материалы с заданными электрофизическими и оптическими свойствами). Суть этих рекомендаций во многом сводится к воздействию на процессы выращивания кристаллов различных добавок, подобных тем, которые издавна применяются для легирования сталей.

Учение о химических процессах

Одним из основоположников этого направления в химии стал русский ученый химик Н.Н. Семенов, лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей нобелевской лекции 1965 года он заявил, что химический процесс – то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой

87

своеобразный сложный реактор. Это – мост от объектов физики к объектам биологии.

Большинство химических реакций трудно контролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, в других – трудно остановить (например, горение, взрывы), в третьих случаях невозможно предсказать выход побочных продуктов.

Методы управления химическими процессами подразделяется на термодинамические и кинетические.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону, что зависит от природы реагентов и условий процесса. Есть реакции, которые не требуют особых средств управления: кислотно-основное взаимодействие (нейтрализация), реакции, сопровождающиеся удалением готовых продуктов в виде газов или в форме осадков. Но существует немало реакций, равновесие которых смещено влево, к исходным веществам. И чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги – увеличение температуры, давления и концентрации реагирующих веществ.

Термодинамическое воздействие влияет на направленность химических процессов. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов: строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов и др.

Применение катализаторов в химических реакциях послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им стало возможным ввести в

действие в качестве сырья для органического синтеза парафины и циклопарафины, до сих пор считавшиеся «химическими мертвецами». Катализ находится в основании производства маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты

88

растений. Почти вся промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого органического синтеза», включая получение горючесмазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез также становится все более каталитическим. 60–80 процентов всей химии основаны на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором. Но сам катализ долгое время оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические.

Эволюционная химия

Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической безжизненной материи возникает органическая как основа жизни на Земле.

Каким образом без участия человека получаются новые химические соединения, более сложные, чем исходящие вещества?

В настоящее время еще нет единой логически последовательной картины того, как из первичной «суперкапли материи» под названием Вселенная после Большого взрыва (Big Bang) возникла жизнь. Но уже многие элементы этой картины ученые представляют и считают, что так все и происходило на самом деле. Одним из элементов этой единой картины эволюции является химическая эволюция. Пожалуй, химическая эволюция – это один из аргументированных элементов единой картины эволюции хотя бы потому, что допускает экспериментальное моделирование химических процессов (чего, например, нельзя сделать в отношении условий, аналогичных тем, что были вблизи Большого взрыва). Химическая эволюция

89

прослеживается вплоть до элементарных кирпичиков живой материи: аминокислот, нуклеиновых кислот.

И. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание.

Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60–70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество – жизнь. Здесь кроме И. Берцелиуса можно упомянуть немца Ю. Либиха и француза М. Бертло.

Вэволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Возникновение биологической эволюции можно объяснить концентрацией на Земле необходимых химических элементов. При каких же условиях они могли возникать?

Земля является неотъемлемым элементом звездных систем,

иименно в звездах, их недрах, разогретых снова (после Big Bang температура Вселенной начала стремительно падать) до миллиардов градусов, и были произведены ядра химических элементов, следующих за гелием. Без звезд во Вселенной так бы вечно и существовала водородогелиевая плазма, в которой организация жизни невозможна (на современном уровне понимания этого явления).

Внедрах звезды могут образоваться из водорода и гелия многие элементы Периодической системы, но только вплоть до элементов группы железа, обладающего наибольшей энергией связи, приходящейся на одну частицу. Более тяжелые элементы образуются в других, более редких, процессах, а именно при взрывах сверхновых звезд и частично новых, и поэтому в природе их мало.

90