Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Естественно-научная картина мира. Учебник
.pdf
171
7. ХИМИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА
7.1. Этапы становления химии как науки
Химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения.
Химия — высоко упорядоченная, постоянно развивающаяся система знаний о веществах, имеющая определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.
Известный физико-химик Н. Н. Семенов сводил основные
отличия между физическим и химическим процессом к трем:
• истории системы;
• отсутствию мгновенных параметров для скоростей хи-
мических реакций;
• возможности пользоваться равновесными параметрами
для физических процессов и невозможности — для химических.
Химики стремятся не только узнать, как устроен мир веществ, но и приспособить его к нуждам людей. Многовековая
традиция естествознания состоит в изучении того, что есть, а не
того, что должно быть. Вопрос о долженствовании принято относить к этике. Но, как ни странно, он является актуальным и в
области химии. Когда исследователь задается целью изобрести
и получить микрокристаллический сплав с эффектом памяти, то
он придает химии проспективный характер. Вопрос ставится не
только о том, что есть, о настоящем, но и о будущем. Современного химика интересует вопрос как об адекватности его знания
химическим реалиям, так и о практической эффективности этого знания.
Около 100 лет (сер. XVIII — сер. XIX вв.) ушло на становление классической химии. Было введено научное определение химического элемента (Р. Бойль), открыты фосфор, кобальт,
никель, а открытие А. Л. Лавуазье кислорода и установление его
роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от гипотезы флогистона.
Лавуазье доказал теоретически и эмпирически, что в процессах горения, дыхания и обжигания металлов принимает участие не флогистон, а кислород. Лавуазье впервые систематизировал химические элементы на базе имевшихся в XVIII в. зна-
172
ний. Эта систематизация оказалась ошибочной и в дальнейшем
была усовершенствована Д. И. Менделеевым. Система Лавуазье
определяла место элемента по атомной массе. В настоящее время место химического элемента определяют по заряду атомного
ядра, который отражает индивидуальные свойства элемента.
В этот период были открыты такие важнейшие стехиометрические (от греч. stoicheion — элемент) законы, как:
• закон сохранения массы веществ (М. В. Ломоносов,
1748–1756 гг.; А. Лавуазье, 1777 г.): масса веществ, вступивших
в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате
реакции.
Закон сохранения массы может быть сформулирован еще
так: полная масса замкнутой системы остается постоянной.
Иными словами, этот закон утверждает, что химические
превращения не сопровождаются измеримым увеличением или
уменьшением массы участвующих в них веществ. Например,
при разложении воды ее исходная масса будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Этот закон может быть сформулирован и так: вещество нельзя ни создать из ничего, ни
уничтожить;
• закон постоянства состава (Ж. Л. Пруст, 1801 г.): каж-
дое чистое соединение независимо от способа его получения
всегда имеет один и тот же состав; был установлен французским
химиком Ж. Прустом в 1800–1808 гг. и теоретически обобщен в
1800–1810 гг.;
• закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803 г): если
два элемента могут образовать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях
относятся друг к другу как небольшие целые числа;
• закон Авогадро (А. Авогадро, 1811 г.): в равных объе-
мах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое
число молекул (напомним читателю, что масса числа частиц,
равного числу Авогадро 6,0229 × 1023, получила название
«моль»).
Однако рассмотренные законы не являются универсальными законами химии. Последними следует считать периодиче-
173
ский закон химических элементов и принцип Ле Шателье —
Брауна.
Согласно периодическому закону (в его современной
форме), свойства химических элементов не являются случайными, а зависят от электронного строения данного атома, они закономерно изменяются с изменением атомного номера. Важным
в периодическом законе является то, что эта зависимость характеризуется строгой периодичностью, которая находит свое выражение в повторяемости типичных свойств элементов.
Принцип Ле Шателье — Брауна имеет следующую формулировку: если на систему, находящуюся в термодинамическом равновесии, воздействовать извне, изменяя какой-либо из
параметров, определяющих положение равновесия, то в системе
усилится то из направлений процесса, которое ослабляет влияние произведенного воздействия. Положение равновесия сместится в направлении ослабления эффекта внешнего воздействия.
В историческом плане эволюция химического знания сложилась таким образом, что лишь в XIX в. химия приобрела отчетливый научный статус.
Самая грандиозная революция химического знания произошла в 1920–1930-е гг. и была связана с развитием квантовомеханических представлений о химических веществах и процессах. Современная химия — это совокупность квантовых представлений о веществе и его преобразованиях.
Сторонник классической химии при анализе химических
реакций и структурных формул использует представления об
атомах, их валентностях и молекулах. Внутреннее устройство
атомов ему неизвестно, а потому он вынужден удовлетвориться
фиксацией внешних сторон химических явлений. Такой подход
называется феноменологическим.
Феноменологическим называется такой подход, когда
рассматриваются не причины наблюдаемых явлений (феноменов), а лишь они сами как таковые.
Сторонник квантовой химии исходит из динамического
подхода.
Динамический подход все, что происходит в химических
реакциях, объясняет взаимодействием тех частиц — протонов,
174
нейтронов, электронов, из которых состоит вещество, и делает
он это в соответствии с квантовой теорией. Используемый при
динамическом подходе метод интерпретации содержания химических процессов по своей сути является квантово-химическим.
Химия, в отличие от многих других наук (например, от
биологии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством (Д. И. Менделеев).
В химии хорошо используется индуктивный подход, го-
раздо менее продуктивным оказался дедуктивный подход.
Важнейшие особенности современной химии таковы.
1. В химии, прежде всего в физической химии, появляют-
ся многочисленные самостоятельные научные дисциплины (химическая термодинамика, химическая кинетика, электрохимия,
термохимия, радиационная химия, фотохимия, плазмохимия,
лазерная химия).
2. Химия активно интегрируется с остальными науками,
результатом чего было появление биохимии, молекулярной биологии, космохимии, геохимии, биогеохимии. Первые изучают
химические процессы в живых организмах, геохимия — закономерности поведения химических элементов в земной коре.
Биогеохимия — это наука о процессах перемещения, распределения, рассеяния и концентрации химических элементов в
биосфере при участии организмов. Основоположником биогеохимии является В. И. Вернадский. Космохимия изучает химический состав вещества во Вселенной, его распространенность и
распределение по отдельным космическим телам.
3. В химии появляются принципиально новые методы исследования (рентгеновский структурный анализ, массспектроскопия, радиоспектроскопия и др.).
Химия способствовала интенсивному развитию некоторых направлений человеческой деятельности. Например, хирургии химия дала три главных средства, благодаря которым современные операции стали безболезненными и вообще возможными:
1) введение в практику эфирного наркоза, а затем и других
наркотических веществ;
175
2) использование антисептических средств для предупре-
ждения инфекции;
3) получение новых, не имеющихся в природе аллопла-
стических материалов — полимеров.
7.2. Система химии и ее концептуальные уровни
Для планеты Земля характерна особая взаимозависимость
химических веществ. Именно она обусловила появление на Земле живых существ с их поистине удивительным многообразием
и упорядоченностью. Данные биохимии (вспомните ДНК и
РНК) свидетельствуют о своеобразии химической эволюции в
мире живой природы. И, наконец, следует принять во внимание
собственную деятельность человека по преобразованию доступного ему фрагмента химических явлений. Люди активно формирует свою химическую среду, химиосферу, производят такие
химические вещества, которые являются плодом их изобретательности, иногда чрезвычайно изощренной. Таковы, например,
многие лекарственные препараты, полимеры, горючие материалы.
Чем большую активность развивает человечество, тем
сильнее изменяется мир химических явлений. Этот процесс сопровождается изменением самой химии как науки. Безусловно,
химия — естественно-научная дисциплина. Но будучи вовлеченной в деятельность человечества, она приобретает новые
черты. Это приводит к дальнейшему изменению концептуальных оснований химии.
Все химические знания, приобретаемые за многие столетия и представленные в форме теорий, законов, методов, технологических прописей и т.д., объединяет одна-единственная непреходящая главная задача химии — задача получения веществ
с необходимыми свойствами → производственная задача.
Чтобы решать названную производственную задачу получения веществ с необходимыми свойствами, химия должна решать теоретическую задачу генезиса (происхождения) свойств
вещества.
Системообразующим началом системы (например, химии,
таблицы Менделеева и т.п.) может явиться только какое-то ее
176
наиболее общее основание, не изменяющееся при любых изменениях ее теорий и методов.
Вспомним, что являлось системообразующим фактором у
Д. И. Менделеева при разработке им периодической системы
химических элементов! Атомная масса элемента! Например,
химический элемент водород, согласно экспериментальным
данным, оказывается в молекуле хлористого водорода НС1—
катионом, в молекуле гидрида натрия HNa — анионом, в молекуле Н2 — нейтральным атомом с поделенной парой электронов,
а в молекуле трифенилметана (С6Н5)3С…Н — почти свободным
атомом. Но, несмотря на все эти резкие изменения свойств, водород во всех названных здесь химических соединениях остается водородом, самим собою, так как имеет неизменную
основу — атомную массу, равную единице. Этот принцип неизменности основы предмета при любых изменениях условий его
существования Д. И. Менделеев применил и к характеристике
науки как системы.
Системообразующим началом химии выступает основная
двуединая проблема химии — получение веществ с заданными
свойствами (на достижение чего направлена производственная
деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию чего направлена научноисследовательская деятельность).
Эта проблема возникла в древности и не теряет своего
значения в наши дни. Естественно, что в различные исторические эпохи она решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также от внутренних закономерностей, присущих ходу
научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких,
например, материалов, как стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе,
чем в XVIII столетии, а в XVIII в. — иначе, чем сегодня.
Система химии — это единая целостность всех хими-
ческих знаний, которые появляются и существуют не порознь
друг от друга, но в тесной взаимосвязи, дополняя друг друга.
Это не просто единство всех химических знаний, но их логическая упорядоченность, соподчиненность (или субординация), их
177
объединение в концептуальные системы, т.е. в подсистемы, которые находятся между собою в отношениях иерархии, потому
что каждая концептуальная система — это определенный уровень химических знаний.
Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего только четыре способа решения.
Свойства вещества зависят от четырех факторов:
1) от его элементного и молекулярного состава;
2) от структуры его молекул;
3) от термодинамических и кинетических условий, в кото-
рых вещество находится в процессе химической реакции;
4) от высоты химической организации вещества. Этот по-
следний, четвертый, фактор открыт совсем недавно; он оказался
в высшей степени важным в практическом отношении и очень
интересным в теоретическом плане.
Отсюда: концептуальные уровни химии.
1. Учение о составе.
2. Структурная химия.
3. Учение о химических процессах.
4. Эволюционная химия.
Решение основной производственной задачи химии — получение веществ с заданными свойствами, осуществляется: на
I уровне с учетом лишь одного фактора — изменения состава,
на II уровне — с учетом двух факторов — изменения состава и
структуры, на III уровне — многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических, гидродинамических
факторов), на IV уровне — с учетом самоорганизации реакторной системы.
7.3. Учение о составе
Первый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств веществ в зависимости от их химического состава, определяемого их элементами. На этом уровне
решались вопросы определения химического элемента, химического соединения и получения новых материалов на базе более
широкого использования химических элементов.
178
Выявление и анализ этих элементов, раскрытие связи
между ними и свойствами веществ охватывает значительный
период в истории химии, начиная от гипотезы Роберта Бойля
(1627–1691) и кончая современными представлениями о химических элементах как разновидностях изотопов, т.е. атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра и отличающихся по массе.
Вопросы, связанные с химическими соединениями, длительное
время не вызывали споров в среде химиков. Казалось очевидным, что именно относится к химическим соединениям, а что —
к простым телам или смесям. Однако применение в последнее
время физических методов исследования вещества позволило
выявить физическую природу химизма, т.е. те внутренние силы,
которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой
прочную квантово-механическую целостность. Такими силами
оказались химические связи, проявляющие волновые свойства
валентных электронов. В результате химических и физических
открытий претерпело изменение классическое определение молекулы.
Молекула понимается как наименьшая частица вещества,
которая в состоянии определять его свойства и в то же время
может существовать самостоятельно.
Представления о классе молекул расширились, в него
включают ионные системы, атомные и металлические монокристаллы и полимеры, образующиеся на основе водородных связей и представляющие собой уже макромолекулы. Они обладают молекулярным строением, хотя и не находятся в строго постоянном составе.
С открытием физиками природы химизма как обменного
взаимодействия электронов химики совершенно по-другому
стали рассматривать химическое соединение.
Химическое соединение — это качественно определен-
ное вещество, состоящее из одного или нескольких химических
элементов, атомы которых за счет обменного взаимодействия
(химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты.
Химическая связь является таким взаимодействием, ко-
торое связывает отдельные атомы в более сложные образования,
179
в молекулы, ионы, кристаллы, т.е. в те структурные уровни организации материи, которые изучает химическая наука. Химическую связь объясняют взаимодействием электрических полей,
образующихся между электронами и ядрами атомов в процессе
химических преобразований. Прочность химической связи зависит от энергии связи.
С позиций атомизма решается также проблема химического соединения. Что считать смесью, а что химическим соединением? Обладает ли такое соединение постоянным или переменным составом? Еще в начале XIX в. по этим вопросам
возникла острая дискуссия между известными французскими
химиками Жозефом Прустом (1754–1826) и Клодом Бертолле
(1748–1822). Пруст считал, что любое химическое соединение
должно обладать вполне определенным, неизменным составом,
и это свое убеждение сформулировал в виде закона постоян-
ства состава. По его мнению, именно постоянный состав отличает химические соединения от смесей. Впоследствии закон постоянства состава с позиций атомно-молекулярного учения
обосновал выдающийся английский химик Джон Дальтон
(1766–1844). Он утверждал, что всякое индивидуальное вещество — простое или сложное — состоит из мельчайших
частиц — молекул, которые в свою очередь образованы из атомов. Именно молекулы являются наименьшими частицами, обладающими свойствами вещества. Например, молекула такого
простого вещества как кислород (О2) образована из двух атомов
и характеризуется всеми свойствами, которые присущи этому
веществу. Молекулы сложных веществ, или химических соединений, образованы из разных атомов и поэтому обладают свойствами, отличными от свойств составных частей. Так, например,
вода Н2О представляет собой жидкость, а образована она из
двух газов — водорода и кислорода. Важно подчеркнуть, что
каким бы способом она или другое химическое соединение ни
были бы получены, они всегда будут иметь тот же самый состав.
Долгое время закон постоянства химического состава считался абсолютной истиной, не допускающей никаких исключений, хотя уже К. Бертолле указывал на существование соединений переменного состава в форме растворов и сплавов. Впоследствии были найдены более убедительные доказательства
существования химических соединений переменного состава, в
180
частности, в школе известного русского физико-химика Николая Семеновича Курнакова (1860–1940), которые он назвал бер-
толлидами в честь К. Бертолле. К ним он отнес те соединения,
состав которых зависит от способа их получения, например, соединения таких двух металлов, как марганец и медь, магний и
серебро и др. Со временем химики открыли другие соединения
переменного состава и пришли к выводу, что они отличаются от
соединений постоянного состава тем, что не обладают молекулярным строением. Однако такой вывод оказался неубедительным с точки зрения современных научных представлений о
строении атомов и молекул. Было установлено, что постоянство
и непостоянство состава химических соединений являются
внешней их характеристикой и сами нуждаются в дальнейшем
анализе. Такой анализ показывает, что природа соединения, т.е.
характер связи атомов в его молекуле, зависит от их химических
связей, определяемых обменным взаимодействием валентных
электронов. В связи с этим изменилось и само классическое понятие молекулы, хотя основное его содержание сохранилось:
молекулой по-прежнему называют наименьшую частицу вещества, которая определяет его свойства и может существовать
самостоятельно. Однако к молекулам теперь относят также разнообразные другие квантово-механические системы (ионные,
атомные монокристаллы, полимеры и другие макромолекулы).
Таким образом, в свете современных физических представлений исчезает не только прежнее резкое противопоставление химических соединений постоянного состава
как обладающих молекулярным строением и соединений переменного состава, лишенных этого строения, но и отождествление химического соединения со сложным веществом, состоящим из нескольких элементов. В принципе соединение может
состоять и из одного элемента.
7.4. Структурная химия
Структура — это устойчивая упорядоченность каче-
ственно неизменной системы, каковой в химии является молекула (молекулы).
Структурная химия представляет собой уровень развития
химических знаний, на котором доминирует понятие «струк-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]