Система химии, логика ее развития и построения

Что такое химия? Химияя вляется высокоупорядоченной — постоянно развивающейся системой знаний о веществах, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук.

Система представляет собой совокупность элементов или частей, выступающих как единое целое, в которой существует их взаимное влияние и взаимное качественное преобразование. Под системой химии подразумевается объединение всех химических знаний в концептуальные системы, которые находятся между собой в отношениях иерархии,т.к. каждая концептуальная система — это определенный уровень знаний

Рассмотрим системообразующие основы химии. Системообразующим началом в химии может являться только какое-то ее наиболее общее основание, не изменяющееся при любых изменениях ее теории и методов.

Зачем была нужна химия человечеству? Чтобы получить из природных веществ необходимые человеку металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучуки и пластмассы, химические волокна и материалы с заданными электрофизическими свойствами (полупроводники, изоляторы, сверхпроводники).

Поэтому все химические знания, приобретаемые за многие столетия, объединяет одна главная задачахимии — задача получения веществ с необходимыми свойствами. Для ее реализации надо уметь из одних веществ производить другие и знать от чего зависят свойства, т.е. осуществлять качественное превращение веществ.

Эта проблема возникла в древности и не теряет своего значения в наши дни. Таким образом, вся история химии, все ее развитие является закономерным процессом смены способов решения ее основной проблемы.

Свойства веществ зависят от четырех факторов: от его элементного и молекулярного состава; от структуры его молекул; от термодинамических и кинетических условий, в которых вещества находятся в процессе химических реакций; от высоты химической организации вещества.

Поэтому основная проблема химии имеет только четыре общих способа решения:

на первом уровне с учетом одного фактора — изменения состава — учение о составе;

на втором уровне с учетом двух факторов — изменение состава и структуры – структурная химия;

на третьем уровне — с учетом многих факторов (состава, структуры, кинетических, термодинамических факторов) — учение о химических процессах;

на четвертом уровне — с учетом самоорганизации реакторной системы — эволюционная химия.

Строго последовательное закономерное появление четырех способов решения основной проблемы химии послужило причиной строгой упорядоченности построения системы химии, которую следует считать логикой этой науки.

Открытие основных законов химии

Проблема химического состава вещества была главной в развитии химии вплоть до 30–40-х годов XIX в. Огромную роль в дальнейшем развитии химии сыграли французский ученый Жозеф Пруст и английский ученый Джон Дальтон.

Жозеф Пруст в 1801 г. установил закон постоянства состава, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом – прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Таким образом, Пруст делал вывод, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав.

Джон Дальтон дал теоретическое обоснование закона Пруста. Также он вошел в историю химии как первооткрыватель закона кратных отношений и создатель основ атомной теории. Он показал, что все вещества состоят из молекул, а все молекулы в свою очередь – из атомов, и что состав любого вещества можно представить себе как простую формулу типа АБ, АВ2, А2В3 и т.д., где символы А и В обозначают названия двух атомов, из которых состоит молекула.

В 1803 г. Дальтон сформулировал закон кратных отношений, в котором утверждал: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества элементов соотносятся между собой как целые числа.

Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сформулированном Лавуазье понятии химического элемента, пола-гал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и обладают определенным весом. Дальтон назвал его атомным весом. Таким образом, каждый элемент обладал разным атомным весом, но этот вес был относительным, так как абсолютный вес атома определить невозможно.

В качестве условной единицы атомного веса Дальтон принял атомный вес водорода – самого легкого из всех элементов, а затем сопоставил с ним вес других элементов. Чтобы экспериментально подтвердить эту идею, нужно было, чтобы элемент соединился с водородом, образуя определенное соединение. Если этого не происходило, то требовалось соединение данного элемента с другим, соединение которого с водородом было известно. Зная вес другого элемента относительно веса водорода, всегда можно было найти отношение веса данного элемента к принятому за единицу весу водорода.

Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Она и стала самой важной работой ученого, хотя ему не удалось избежать некоторых ошибок. Чтобы придать атомной теории Дальтона статус научной, требовалось объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных в химических реакциях расщепляться на составные атомы.

Следующий шаг в развитии химической атомистики сделал И.Я. Берцелиус. Он стремился найти закон образования химических соединений. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а, следовательно, и принять атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава вещества.

После этого Берцелиус обратился к проблеме определения атомных весов элементов, разраба-тывая более сложные и точные методы экспериментов, которые были недоступны Дальтону.

В результате длительной и тщательной аналитической работы в 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными.

С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для обозначения не только элементов, но и химических реакций. Все символы, формулы соединений и химические уравнения следует вести от Берцелиуса. Его система химической символики содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинались с одних и тех же начальных букв, к ним добавлялась вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которые используются во всем мире до сих пор.

Еще одним вкладом Берцелиуса в развитие химии является разделение им всех веществ на органические и неорганические. Вещества неживой природы могли выдержать жесткую обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали, и их он назвал неорганическими.

Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Так, химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом воздействии легко превращались в неорганические. Возможность обратного перехода была установлена гораздо позже.

В то время в науке господствовал витализм – учение, рассматривавшее жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил.

Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органи-ческие требовалось какое-то особое воздействие («жизненная сила»), которое проявлялось только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например воду, можно было найти повсюду, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием «жизненной силы», можно было найти только в живых тканях. Химики этого времени, имевшие дело с самыми обычными соединениями и пользовавшиеся самыми обычными методами, осуществить превращения, требовавшие участия таких нематериальных агентов, естественно, не могли.

В 40-х годах XIX в. состояние теоретической химии продолжало оставаться неудовлет-ворительным. В 1840 г. французский химик Шарль Фредерик Жерар (1816–1856) установил, что существовавшие тогда теории объединения атомов в молекулы неполны. Он показал, что в подавляющем большинстве случаев молекулы состоят из атомов и атомных групп, так тесно связанных между собой, что их разделение приводит к появлению новых веществ. Поэтому Жерар назвал молекулу системой, в которой все элементы связаны и влияют друг на друга, качественно преобразуя систему. Один и тот же элемент в разных системах может качественно отличаться в зависимости от связанных с ним партнеров.

В 1852 г. английский химик Эдуард Франклин предложил теорию валентности, в соответст-вии с которой каждый атом обладал определенной способностью к насыщению, или определенной валентностью. Исходя из этой теории, немецкий химик Кекуле показал, что углерод четырехва-лентен и что его атомы могут соединяться друг с другом в цепи. Кекуле ввел в оборот новый химический термин - сродство. Им он обозначил количество атомов водорода, которые могли заместить данный химический элемент. Он приписал всем химическим элементам соответственно три, две или одну единицу сродства. Углерод же находился при этом в необычном положении – его атом обладал четырьмя единицами сродства. Число единиц сродства, присущее данному химическому элементу, ученый назвал валентностью атома. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. В 1858 г. он представил строение наиболее простых молекул и радикалов. Стало ясно, что органические молекулы значительно больше и сложнее, чем неорганические.

Полезность структурных формул была настолько очевидной, что многие химики-органики приняли их сразу. В результате было признано необходимым, записывая формулу соединения, показывать его атомную структуру.

История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее развитие происходило беспоря-дочно и хаотически. Химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства, реакционные способности и благодаря этому постепенно накопили огромный эмпирический материал.