Концептуальные уровни в познании веществ

Слышал я: под ударами гончара Глина тайны свои выдавать начала:

«Не топчи меня! — глина ему говорила:

Я сама человеком была лишь вчера".

О. Хайям

Совокупность атомов и молекул образует макроскопическое тело, или вещество. Закономерности, происходящие в веществах, процессы их пре вращения, при которых происходит изменение их состава и структуры, изучает раздел естествознания — химия.

Химия — это естественная наука, изучающая химические превращения вещества и исследующая условия, при которых эти превращения происходят. Она занимается также явлениями природы, сопровождающими химические изменения вещества, изучает причины и законы управления химическими процессами, а также рассматривает составные части веществ и их применение на практике. Отдельные химические процессы (получение металлов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на зар становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV вв., зародилас алхимия, задачей которой было превращение неблагородных металло в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения результаты химических исследований все в большей мере стали использоват для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получени красок и т. д.).

Химию можно определить как науку, изучающую вещества и процессы их превращения, сопровождающиеся изменением состава и структур и обязательно энергетическими изменениями в реагирующей системе Вследствие взаимосвязанности форм движения материи и их взаимопрев-ращаемости в результате химических реакций имеет место превращени химической энергии в теплоту, свет и пр. Химия нужна человечеству дл того, чтобы из вещества природы получать по возможности все необходимое — металлы, цемент, бетон, керамику, фарфор, стекло, каучук, пластмассы, искусственные волокна, лекарства и многое другое.

Основой химической науки является атомно-молекулярное учение (AMУ), закон сохранения материи, периодический закон и теория строения вещества, учение о химическом процессе (кинетика). Химически процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранени массы вещества и закону сохранения энергии. Закон сохранения масс вещества установили М. В. Ломоносов и А. Л. Лавуазье почти независим друг от друга. Их заслуга в развитии химии состоит и в том, что при химических реакциях они применили физические методы, в частности взвешивание. Закон сохранения массы в химических процессах можно сформулировать так: сумма масс исходных веществ (соединений) равна сумме мас продуктов химической реакции. Например, при разложении воды масс воды будет равна сумме массы водорода и массы кислорода. Из закон сохранения вещества вытекает, что вещество нельзя ни создать из ничего ни уничтожить совсем. Количественным выражением закона сохранения массы веществ применительно к производственному химическом процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, чт масса веществ, поступивших на технологическую операцию, равна масс полученных веществ. Закон сохранения энергии действует во всех случая и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую.

Несмотря на обилие эмпирического материала о свойствах различных веществ и их соединений, особенностях протекания разнообразных реакций, в химии до открытия в 1869 г. периодической системы химически элементов Д. И. Менделеева не существовало той объединяющей концепции, с помощью которой можно было объяснить весь накопленный фактический материал. Было бы, однако, неправильно не учитывать то громадной исследовательской работы, которая привела к утверждени системного взгляда на химические знания. Развитие теоретических осно химии диктуется потребностью химического производства совершенствовать управление химическим процессом для получения веществ с заране заданными свойствами.

Историю развития теоретических основ химии можно представить в виде следующих этапов.

В период зарождения химии как науки (вторая половина XVII в.) возникло первое концептуальное учение о составе. Объяснение свойст веществ связывалось с их составом, а изменением состава объяснялос химическое превращение. Последующее становление учения (на концептуальном уровне) о составе предопределило открытие стехиометрически законов (закона постоянства состава, закона эквивалентов и закона кратных отношений), развитие понятия химического элемента, представлени о валентности, периодическом законе и периодической системе химических элементов Д. И. Менделеева, методах исследования состава соединений и др.

Второй концептуальный уровень развития химии связан с зарождением структурной химии (XIX в.). Было замечено, что огромное разнообразие веществ растительного и животного происхождения связано с набором весьма небольшого числа химических элементов (углерода, водорода, кислорода, азота и некоторых других). К тому же при одинаковом состав вещества (изомеры) имеют разные свойства. Это означало, что свойств веществ зависят не только от состава, но и от структуры. (Л. М. Бутлеро разработал основные положения.) Если при зарождении химии как наук главным направлением был химический анализ, то с появлением структурной химии стал органический синтез. Сегодня структурная химия строитс на квантово-механических представлениях о химической связи, строени молекул и кристаллов, на методах исследования структуры веществ, изучении влияния структуры на свойства веществ и пр.

Третий уровень в развитии химии связан с возникновением (конец XIX в.) и развитием учения о химическом процессе — о его принципиальной возможности и условиях протекания. Это было вызван резким возрастанием потребностей и масштабов производства продукто химической переработки нефтяного сырья. Учение о химическом процесс рассматривает энергетику химических процессов, химическое равновеси и условия его смещения, кинетику и механизмы реакций и т. д. Этот уровень познания представляет собой исследование внутренних механизмо и условий протекания химических процессов, таких как температура, давление, скорость протекания реакций и др.

Наконец, четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущего уровня, связанным с более глубоким изучение природы реагентов, участвующих в химических реакциях, а также применением катализаторов, значительно увеличивающих скорость их нротекания. На этом уровне мы встречаемся уже с простейшими явлениями самоорганизации, изучаемыми синергетикой.

В наши дни наблюдается новый уровень развития химии, который направлен на создание наиболее экономичного и экологически чистог химического производства, использование в промышленных масштаба закономерностей химических превращений живой природы.

Тридцатые годы ознаменовались следующим скачком — появлением теории молекулярных орбиталей (МО). Теория МО позволила успешн описать строение, электронное устройство многих органических соединений. Так, например, были выведены правила, позволяющие предсказать будет ли еще не синтезированное соединение ароматическим. Концептуальные системы химии наиболее наглядно можно изобразить посредство приведенной схемы (рис. 8.1), в которой вертикальная координата у представляет массив всей теоретической и эмпирической информации, накопленной со времен Бойля и до настоящего времени, а горизонтальная координата — историческое время — период 1660—1990 гг.

Рис. 8.1. Концептуальные уровни развития химии.

Как видно, в развитии химии происходит не смена, а строго закономерное последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает нижележащую предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает ее в себя в преобразованном виде Так, учение о химических процессах предполагает наличие знаний о состав исходного сырья, о строении молекул исходных реагентов и об их реакционной способности, потому что эти знания позволяют химику подобрать исходное сырье для получения целевого продукта. Но этих знаний недостаточн для того, чтобы осуществить химический процесс с максимальным экономическим эффектом и соблюдением экологических требований охраны окружающей среды. Для этого дополнительные знания дает учение о химически процессах — термодинамика, химическая кинетика, химическая технология.

Основная цель современной химии, вокруг которой строится вся исследовательская работа, заключается в получении веществ с заданными свойствами. Это и определяет содержание двуединой центральной задачи химии: исследование генезиса (т.е. происхождения) свойств веществ; разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданным свойствами.