1. Основные понятия

1.1. Предмет и метод науки о строении вещества

Предметом химической деятельности людей являются эффективные способы получения полезных веществ посредством процессов особого рода — химических превращений. Поэтому каждый химик в своей практической или исследовательской работе неизбежно сталкивается с такими вопросами:

• как будет вести себя химическая система определенного состава в заданных условиях?

• какие исходные вещества и в каких условиях необходимо использовать для того, чтобы получить желаемый результат?

Ответы на эти и другие подобные вопросы можно получить несколькими различными способами, найденными в ходе длительного исторического пути развития химии (в тесной кооперации с другими естественными науками).

Самым простым и доступным методом решения химических задач является эмпирический. В этом случае ответы получают из эксперимента, в ходе которого приготавливают при заданных условиях химическую систему с определенным начальным составом. Затем проводят химический анализ того, что получилось, т.е. определяют конечный состав системы. Итог эксперимента фиксируют в видепротокола, содержащего подробное и точное описание выбранных условий и полученных результатов. Подобные протоколы можно в неограниченном количестве найти в химических справочниках, учебниках, монографиях, статьях и т.д. Следует заметить, что протокол и в настоящее время является основным видом научной продукции химиков.

Ясно, что перебирая таким образом все возможные (или все интересующие нас) начальные составы и условия, можно получить практически бесконечный список протоколов, который будет содержать ответы на все вопросы, имеющие смысл в химическом отношении. Хотя результаты, получаемые таким образом, заведомо являются объективными и правильными (воспроизводимыми), у эмпирического метода есть один существенный недостаток — его последовательное проведение приводит к бесконечно длинным спискам протоколов, пользоваться которыми на практике весьма затруднительно.

Указанный недостаток в значительной мере преодолен в индуктивномспособе, когда проводят несколько отдельных экспериментов по определенному плану, а затем полученные эмпирические результаты обобщают. Типичным случаем индуктивного обобщения служит аппроксимация небольшого числа экспериментальных точек посредством гладкой кривой, состоящей уже из бесконечного числа точек. При желании эту кривую можно описать алгебраическим или дифференциальным уравнением. Например, можно легко измерить концентрацию реагента в несколько последовательных моментов времени:С₁(t₁), C₂(t₂) , … C_n(t_n). Графическое изображение этих значений в координатах "концентрация – время" показывает, что они, как правило, хорошо соответствуют некоторой гладкой кривой. Примером может служить экспоненциальная кривая, описываемая уравнением типа:

С(t)= C_o e^–kt,

которую также можно рассматривать как одно из решений дифференциального кинетического уравнения:

dC/dt = –kC

Подобные уравнения, играющие ключевую роль в индуктивном методе, обычно называются законами природы.

Таким образом, в рамках индуктивного метода на основании небольшого числа экспериментальных результатов можно получить ответы на бесконечно много потенциально возможных вопросов. Так, знание кинетического закона (типа отмеченного выше уравнения dC/dt = –kC) позволяет вычислять концентрации реагентов в любой момент времени, не прибегая к дополнительным экспериментам. Очевидно, что использование индуктивных обобщений позволяет существенно экономить время и силы исследователей-химиков. Однако за эту экономию приходится платить утратой некоторой доли уверенности в объективности и правильности результатов. Дело здесь заключается в том, что через конечное число точек можно провести много разных аппроксимационных кривых, и, следовательно, предложить много разных законов, выбор между которыми может быть осуществлен только на основе некоторых субъективных соображений.

Описанные методы естественнонаучного познания хорошо выразил выдающийся физик Р. Фейнман: "Сначала мы наблюдаем явления, затем с помощью измерений получаем числа, и, наконец, находим закон, связывающий эти числа". Ясно, что упомянутые Фейнманом процедуры наблюдения и измерения соответствуют эмпирическому методу, а установление закона — индуктивному. Фейнман, однако, не ограничивается этими двумя методами и добавляет к сказанному следующее: "Но истинное величие науки состоит в том, что мы можем найти такой способ рассуждений, при котором закон становится очевидным".

Это добавление характеризует третий метод решения научных задач, который можно назвать структурным. В основе этого подхода лежит следующая фундаментальная идея. Если нам необходим объект, выполняющий определенные действия, то мы можем его сконструировать и построить из элементов, взаимодействующих между собой по определенному типу. Например, из шестеренок и пружин можно построить часы, из конденсаторов, резисторов, катушек можно построить радиоприемник или калькулятор и т.д. Основной момент здесь заключается в наличии тесной и имеющей принципиальное значение связи между устройством (строением) нашей конструкции и ее функциями (свойствами):