Концептуальные уровни современной химии

Особенность и двуединая задача современной химии

Фундаментальными основами химии стали квантовая механика, атомная физика, термодинамика, статистическая физика, а также физическая кинетика.На основе физики построена теоретическая химия. Из этого не следует, что химия не существует как самостоятельная наука: химия «выводится» из физики, но не сводится к ней.

Фундаментальные основы современной химии

На определенном этапе эволюции Вселенной в ней реализуются условия, допускающие формирование атомов вещества. Определенный набор атомов способен образовать новую систему – молекулу. Организация материи на атомно-молекулярном уровне приводит к появлению новых свойств материи – к возможности существования множества веществ с громадным разнообразием свойств.

Наукой, исследующей закономерности, проявляющиеся на атомно-молекулярном уровне организации материи, является химия. Задача химии состоит в изучении строения молекул и процессов изменения этого строения в результате их взаимодействия.

На химическом уровне мы имеем дело с очень большим числом частиц, участвующих в квантово-механических процессах обмена электронами (химических реакциях). Это обусловливает макроскопичность проявления законов квантовой физики в химических процессах. Базовое понятие химии – валентность – это макроскопическое, химическое отображение квантово-механических взаимодействий.

Эмпирическая химическая формула соединения показывает, какие элементы и в каком соотношении входят в состав химического соединения. Эмпирическая формула устанавливается опытным путем. На основе эмпирической формулы некоторого вещества может быть найдена его молекулярная формула. В химии выработаны правила определения молекулярной формулы. Молекулярные формулы позволяют отобразить химические превращения. Для этого используются химические уравнения, которые являются эффективным и простым способом описания химических процессов. Методика составления уравнений химических реакций с учетом характера конкретных веществ и взаимодействий хорошо разработана современной химией.

Результаты химического взаимодействия могут быть вычислены с помощью методов физики. Однако даже в простых случаях эти расчеты были бы чрезвычайно сложны. На основе методов, выработанных в химии, используя для описания вещества и его превращения язык химических формул и уравнений, химик решает эти проблемы намного проще и быстрее.

Благодаря тому, что химии удалось выработать свой собственный язык, свое феноменологическое описание свойств веществ и химических превращений, она стала великой наукой задолго до того, как квантовая механика вскрыла сущность химических явлений.

Язык химии разнообразен: он содержит возможности отображения особенностей химических реакций и различных свойств веществ. Например, структурные формулы показывают последовательность и пространственный порядок соединения атомов в молекулах.

Таким образом, атомно-молекулярный уровень организации материи, чрезвычайно сложно описываемый на фундаментальном уровне, на уровне квантовой механики, потребовал выработки своего химического языка. Сегодня физика, составляющая ядро теоретической химии, служит базой дальнейшего развития этой науки. Развитие современной химии, ее основные концепции оказались тесно связанными не только с физикой, но и с другими естественными науками, особенно с биологией.

Как и другие составляющие естествознания, химия имеет многочисленные практические приложения. Однако еще Д.И. Менделеевым было обращено внимание на существенную особенность этой науки: химия в значительной мере сама создает свой объект изучения. Самые разнообразные исследования в ней направлены на раскрытие закономерностей химических превращений, которые реализованы искусственно, на получение и изучение веществ, большинство из которых в природе не встречается. Химия как наука теснейшим образом связана с химией как производством. Д.И. Менделеев рассматривал химические заводы как лаборатории больших размеров. 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 (то есть происхождения) свойств веществ и разработка на этой основе методов получения веществ с заранее заданными свойствами.

По мере развития химии до ее современного уровня в ней сложились четыре совокупности подходов к решению основной задачи. Развитие этих подходов обусловило формирование четырех концептуальных систем химических знаний. Для их представления воспользуемся наглядной схемой:

4. Эволюционная химия

3. Учение о химических процессах

2. Структурная химия

1. Учение о составе

XVII век XIX век 1950-е годы 1970-е годы

Развитие химии

Концептуальные подходы к решению основной проблемы химии, показанные на схеме, появлялись последовательно.

Первоначально свойства веществ связывались исключительно с их составом (в этом суть учения о составе).На этом уровне развития содержание химии исчерпывалось ее традиционным, менделеевским определением – как науки о химических элементах и их соединениях.

Далее учение о составе было дополнено концепцией структурной химии. Структурная концепция объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связь свойств веществ не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этого подхода возникло понятие «реакционная способность», включающая представление о химической активности отдельных фрагментов молекулы – отдельных ее атомов (и даже отдельных химических связей) или целых атомных групп. Структурная концепция позволила превратить химию из преимущественно аналитической науки в науку синтетическую. Этот подход позволил в конечном итоге создать промышленные технологии синтеза многих органических веществ.

Затем было развито учение о химических процессах. В рамках этой концепции с помощью методов физической кинетики и термодинамики были выявлены факторы, влияющие на направленность и скорость протекания химических превращений и на их результат. Химия вскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойств получаемых веществ.

Последний этап концептуального развития химии связан с использованием в ней некоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. В рамках эволюционной химии осуществляется поиск таких условий, при которых в процессе химических превращений идет самосовершенствование катализаторов реакций. По существу речь идет об изучении и применении самоорганизации химических систем, происходящих в клетках живых организмов.

Каждая новая концептуальная ступень в развитии химии, означает не отрицание подходов, использовавшихся ранее, а опору на них как на основание. Все показанные на схеме концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи. Последовательное дополнение химии названными концептуальными системами составляет логику развития этой науки.

Термин «концептуальная система», а не «концепция» использован в приведенных выше рассуждениях не случайно. Причина этого заключается в том, что на каждой ступени рассмотренной «лесенки» развития химии, в свою очередь, были использованы различные научные идеи для решения конкретных проблем. Примером тому служит выдающееся открытие в области химии, сделанное на пути решения одной из исходных проблем химии – проблемы химического элемента.