Концепции современного естествознания

Важность представлений о системе химии лучше всего охарактеризовал тот ученый, кто начал создавать эту систему, – Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907 гг.). Он считал, что необходимы систематические обобщения (классификация, разделение общего), нужны законы, гипотезы и теории. Если нет еще этих обобщений, «знание еще не наука, не сила, а рабство перед изучаемым». Менделеев полагал, что нет науки в частностях; она в общем, в слиянии частностей, в создании системы знаний. Именно такой подход позволил ученому создать свою знаменитую Периодическую систему химических элементов и разработать в 1860–1870 гг. новый план «здания химии», которое в то время состояло лишь из одного «этажа» – из учения о составе веществ.

Последовательное же появление сначала первого, затем второго, третьего и, наконец, четвертого способов решения основной проблемы химии приводит к последовательному появлению и сосуществованию четырех уровней развития химических знаний или, как принято теперь их называть, четырех концептуальных систем, находящихся в отношениях иерархии, т. е. субординации. В системе всей химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему всего естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы (рис. 1):


Объем

химических

знаний

Рис. 1. Уровни развития химических знаний

В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде. Таким образом, подводя некоторые итоги, можно дать определение Системы Химии: под Системой Химии понимают единую целостность всех химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

Существование всего четырех способов решения основной проблемы химии нашло свое отражение в делении Системы Химии на четыре подсистемы.

Контрольные вопросы

1. 
   Какие процессы в промышленном производстве послужили толчком к появлению учения о химических процессах?
   
2. 
   В чем отличие науки от производства?
   
3. 
   Что дало промышленности развитие учения о химических процессах?
   
4. 
   Какой схемой представлено учение о химических процессах?
   
5. 
   В какие годы появилась эволюционная химия? Что лежит в ее основе?
   
6. 
   Какая схема лежит в основе эволюционной химии? Поясните ее суть.
   
7. 
   Кто ввел представление о Системе Химии?
   
8. 
   Назовите четыре концептуальные системы, находящиеся в иерархии? Какова последовательность их возникновения?
   
9. 
   Что понимают под Системой Химии?
   

Учение о составе вещества охватывает три основные проблемы:

• 
  проблему химического элемента (анализ состава химического элемента);
  
• 
  проблему химического соединения (анализ состава химического соединения);
  
• 
  проблему создания новых материалов, в состав которых входят вновь открываемые химические элементы (применение все большего числа химических элементов для производства новых материалов).
  

Ошибочная теория флогистона, как и гелиоцентрическая теория, послужила толчком к многочисленным исследованиям. Появились точные методы количественного анализа вещества, способствовавшие открытию истинных химических элементов. В то время были открыты фосфор (1680 г.), кобальт (1735 г.), никель (1751 г.), водород (1766 г.), фтор (1771 г.), азот (1772 г.), хлор (1774 г.) и марганец (1774 г.).

В 1772–76 гг. одновременно в Швеции, Англии и Франции был открыт кислород. Во Франции его первооткрывателем был замечательный химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794 гг.)¹ Он установил роль кислорода в образовании кислот, оксидов и воды, отверг теорию флогистона и создал принципиально новую теорию химии. Лавуазье сделал первую попытку систематизации химических элементов. В свою систему элементов он включил кислород, водород, азот, серу, фосфор, семь известных в то время металлов, известь, магнезию, глинозем, кремнезем. Однако он ошибочно считал, что известь, глинозем, кремнезем и др. неделимы. Ошибку исправил в дальнейшем Д. И. Менделеев, доказав, что место химического элемента в периодической системе определяется атомной массой, и открыв тем самым периодический закон химических элементов (1869 г.).

Более поздние исследования показали, что место элемента в периодической системе определяется не просто порядковым номером, а зарядом атомного ядра. Это означает, что не атомная масса, а именно заряд ядра обеспечивает индивидуальность химического элемента. Например, изотопы хлора и отличаются друг от друга атомной массой, но, тем не менее, они оба относятся к одному химическому элементу – хлору.

В этой связи можно утверждать, что химический элемент – это совокупность атомов, обладающих одинаковым зарядом ядра.

В стандартных учебниках химии дается такое определение химического элемента: «химический элемент – вид атомов (химически не связанных друг с другом) с одинаковым зарядом ядра, т. е. совокупностью «изотопов»». Это определение правильно отражает главную сущность химического элемента, но оно грешит ошибкой: химический элемент – это совокупность всех атомов (в том числе и химически связанных друг с другом или с атомами других элементов), которые обладают одинаковым зарядом ядра. Элемент, например водород, в каком бы химическом соединении он ни находился: HCl, HNO₃ или H₂, CH₄ – всюду остается водородом – химическим элементом. Точно также и хлор остается химическим элементом – хлором, если он переходит из одного химического соединения в другое в таком, например, ряду: HCl, Cl₂, CH₃ Cl, CHCl₃ и т. д.

Физика помогла установить картину сложной структуры атома любого химического элемента. Атом представляет собой единую квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов; раскрыт физический смысл периодического закона; создана квантово-механическая теория периодической системы. Обо всем этом можно теперь прочесть в учебниках химии.

Остается нерешенным важный вопрос всего естествознания: сколько же всего имеется в природе химических элементов? Во времена Менделеева было известно всего 62 элемента. В 1930-е годы система элементов заканчивалась ураном (Z = 92). В 1940–1945 гг. были открыты путем физического синтеза атомных ядер следующие элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий; в 1949–1952 гг. – берклий, калифорний и фермий; в 1955 г. – менделеевий. Важно отметить, что за пятнадцать лет, с начала 1940-х и до середины 1950-х годов, были открыты принципиально новыми путями (посредством физического синтеза) 97 элементов. А затем во все последующие 40 лет синтезированы только 8 элементов: № 102 – нобелий, № 103 – лоуренсий, № 104 – резерфордий, № 105 – дубний, № 106 – сиборгий, № 107 – борий, № 108 – хассий, № 109 – мейтнерий, которые только недавно получили название и еще мало исследованы. Все эти элементы от 102 до 109 номера крайне неустойчивы: период их полураспада измеряется сотыми и тысячными долями секунды.

Высказывается предположение, что элементы далее 109–110-го номера могут стать короткоживущими, что будут разваливаться в момент их образования. И все же физики ожидают некоторой стабильности в интервалах Z = 26, 164, 184. И только будущее покажет «верхнюю» границу (от № 109 и выше) периодической системы.

Контрольные вопросы

1. 
   Какие три проблемы охватывает учение о составе вещества?
   
2. 
   Какие теории послужили толчком к развитию учения о составе вещества?
   
3. 
   Кому принадлежит первая попытка систематизации химических элементов?
   
4. 
   Раскройте роль физики в установлении структуры атома химического элемента.
   

До недавнего времени химики считали явным, что следует относить к химическим соединениям, а что – к смесям. Ещё в 1800–1808 гг. французский учёный Жозеф Луи Пруст (1754–1826 гг.) установил закон постоянства состава: любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определённым, неизменным составом, прочным притяжением составных частей (атомов) и тем отличается от смесей. На основе идеи об атомическом строении вещества этот закон теоретически обосновал в 1800–1810 гг. английский учёный Джон Дальтон (1768–1844 гг.), являющийся автором другого основополагающего закона в учении о составе вещества – закона кратных отношений. Он показал, что все индивидуальные вещества в отличие от смесей состоят из однородных мельчайших частиц – «сложных атомов» молекул, которые в свою очередь состоят из простых атомов разных химических элементов. Формулировка закона кратных отношений звучит следующим образом: «Если определённое количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества второго элемента относятся между собой как целые числа».

Состав химического соединения может быть только постоянным. В дальнейшем благодаря трудам шведского химика и минералога Йёнса Якоба Берцелиуса (1779–1848 гг.), французского химика и физика Жозефа Луи Гей-Люссака (1778–1850 гг.), немецкого химика, одного из создателей агрохимии Юстуса Либиха (1803–1873 гг.) и других учёных закон постоянства состава вещества был окончательно утверждён и стал одним из основополагающих законов химии.

Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе, и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики – молекулярной физике. Настоящей сенсацией стал закон Авогадро. В 1811 г. итальянский учёный Амадео Авогадро (1776–1856 гг.) установил, что при одинаковых физических условиях (давлении и температуре) равные объёмы различных газов содержат равное число молекул, это означает, что молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объём. Он даже смог рассчитать этот объём для стандартных физических условий. При давлении 760 миллиметров ртутного столба и при температуре 0 ⁰С он был равен 22,4 л. В этом объёме при названных условиях находится 6,023 × 10²³ молекул газообразного вещества (число Авогадро).

С конца XIX в. возобновились исследования, подвергавшие сомнению абсолютизацию закона постоянства состава. Русский химик Николай Семёнович Курнаков (1860–1941 гг.) в результате точнейших физико-химических исследований интерметаллических соединений, т. е. соединений, состоящих из двух металлов, например, цинк-сурьма, магний-серебро, кадмий-мышьяк, марганец-медь, установил образование настоящих индивидуальных соединений переменного состава и нашёл границы их однородности на диаграмме «состав-свойства», отделив от них области существования соединений стехиометрического состава, т. е. природой установленного состава (греч. «стехия» – первоначально). Химические соединения переменного состава он назвал бертоллидами в честь французского химика Клода Луи Бертолле (1748–1822 гг.), а за соединениями постоянного состава оставил название дальтониды в честь основателя химической атомистики Дж. Дальтона.

Результаты последующих физических исследований показали, что суть проблемы химического соединения состоит не только в постоянстве или непостоянстве химического состава, сколько в физической природе химических связей, объединяющих атомы в единую квантово-механи-ческую систему-молекулу. Молекулой по-прежнему можно называть наименьшую частицу вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в число молекул вошли и такие необычные квантово-механические системы, как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счёт водородных связей – это макромолекулы.

В этой связи теперь под химическим соединением понимают определённое вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счёт взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой – молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие «сложное вещество», ведь известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т. д.

Дальнейшее усложнение химической организации материи идёт по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов, а также их комбинаций. При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов.

Рис. 2. Схема усложнения частиц вещества

Контрольные вопросы

1. 
   Сформулируйте законы: – постоянства состава;
   

– Авогадро.

2. 
   Что такое бертоллиды и чем они отличаются от дальтонидов?
   
3. 
   В чем отличие молекулярных ассоциатов и агрегатов?
   

Сравнивая природное распределение химических элементов (рис. 3) с наиболее часто используемыми материалами, учёные установили между ними обратную зависимость: чаще всего человек использует те вещества, запасы сырья которых ограничены, и, наоборот, крайне слабо использует такие химические элементы и их соединения, сырьевые ресурсы которых почти безграничны.

Рис. 3. Природное распространение химических элементов

В связи с этим можно выделить три основные задачи, успешное решение которых позволит преодолеть названные противоречия:

1. 
   Приведение в соответствие практики использования химических элементов в производстве с их реальными ресурсами в природе.
   
2. 
   Последовательная замена металлов различными видами керамики.
   
3. 
   Расширение производства элементоорганических соединений на базе органического синтеза.
   

Глядя на приведённые данные о распространённости восьми названных химических элементов, можно смело утверждать о больших возможностях в использовании алюминия, а затем магния и, может быть, кальция в создании металлических материалов ближайшего будущего. Для этого должны быть разработаны энергоэкономические методы производства алюминия с целью получения хлорида алюминия и восстановления последнего до металла. Такой метод был опробован в ряде стран и дал основание для проектирования алюминиевых заводов большой мощности. Но выплавка алюминия в масштабах, сопоставимых с производством чугуна, стали и ферросплавов, ещё не может быть реализована в самое ближайшее время, потому что эта задача должна решаться параллельно с разработкой соответствующих алюминиевых сплавов, способных конкурировать с чугуном, сталью и другими материалами из железорудного сырья. Работы в этом направлении ведутся во всём мире.

Широкая распространённость кремния также служит постоянным укором человечеству в смысле чрезвычайно низкой степени использования этого химического элемента в производстве материалов. Силикаты составляют 97 % всей массы земной коры, и это даёт основание утверждать, что именно они должны быть основным сырьём для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов для изготовления керамики, способной конкурировать с металлами. Кроме того, необходимо принимать во внимание ещё и огромные скопления промышленных отходов силикатного характера, таких, как «пустая порода» при добыче угля, «хвосты» при добыче металлов из руд, зола и шлаки энергетического и металлургического производства. И как раз эти силикаты необходимо в первую очередь превращать в сырьё для строительных материалов. С одной стороны, это обещает большую выгоду, так как сырьё не надо добывать, оно в готовом виде ждёт своего потребителя. А с другой – его утилизация является мерой борьбы с загрязнением окружающей среды.

В последнее время было обнаружено удивительное свойство некоторых керамических изделий обладать высокотемпературной сверхпроводимостью, т. е. сверхпроводимостью при температурах выше температуры кипения азота. Открытию этого уникального физического свойства способствовали работы химиков по созданию новой керамики на основе комплексов с барием, лантаном и медью.

Элементорганические соединения – это соединения, в состав которых входят как органические элементы (углерод, водород, сера, азот, кислород), так и произвольные ряда других химических элементов: кремния, фтора, магния, кальция, цинка, натрия, лития и т. д. Химия элементорганических материалов с применением кремния (кремнийорганическая химия) лежит в основе создания многих полимеров, обладающих ценными свойствами и незаменимых в авиации и энергетике. А фторорганические соединения обладают исключительной устойчивостью (даже в кислотах и щелочах), особой поверхностной активностью и поэтому могут переносить, например кислород, как молекула гемоглобина. Фторорганические соединения активно используются в медицине для создания всевозможных покрытий.

Решение практических задач, стоящих перед химиками, в настоящее время сопряжено с синтезом новых веществ и анализом их химического состава. Поэтому, как и много лет тому назад, проблема состава веществ остаётся в химии по-прежнему актуальной.

В основе структурной химии лежит химическая атомистика Дж. Дальтона, согласно которой любой химический индивид состоит из совокупности молекул, обладающих строго определённым качественным и количественным составом. Более конкретные представления о структуре молекул содержатся в теории Берцелиуса, который пытался ответить на вопрос: существует ли какая-либо упорядоченность в объединении атомов в молекуле или они объединяются произвольно? Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электроотрицательностью в зависимости от места, которое они занимают в ряду элементов с убывающей электроотрицательностью.

Атом каждого элемента несёт два заряда: положительный и отрицательный, но в зависимости от места в ряду один из зарядов больше. Объединение атомов в молекулу приводит к частичной нейтрализации зарядов.

Полная нейтрализация невозможна из-за неравенства зарядов. Поэтому молекулы каждого соединения обладают также избыточным зарядом и склонны к образованию более сложных молекул в виде комплексов.

Таким образом, по Берцелиусу, молекула представляет собой объединение двух разноимённых заряженных атомов или атомных групп – радикалов. В этом заключается содержание понятия «структура» по Берцелиусу.

В 1840 г. французский химик Шарль Фредерик Жерар (1816–1856 гг.) показал, что структурные представления Берцелиуса соответствуют действительности только в ряде случаев. Молекула является единой неделимой и унитарной системой, в которой все атомы всех элементов взаимодействуют – взаимно преобразуются, в этом сущность «структуры» по Жерару.

Хотя данная идея и получила дальнейшее развитие, но она не указывала конкретные пути для синтеза новых веществ.

Такие пути наметились в работах немецкого химика Фридриха Августа Кекуле (1829–1896 гг.). Он сформулировал основные положения теории валентности, введя в обиход новый химический термин «сродство», который и обозначал количество атомов водорода, которое может заместить данный химический элемент, обосновав, таким образом, наличие для углерода четырёх единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода, соответственно, трёх, двух и одной.

При объединении атомов в молекулу происходит замыкание свободных единиц сродства. Например: два атома водорода и один атом кислорода образуют одну молекулу воды.

Рис. 4. Механизм образования молекулы воды по теории Кекуле

Таким образом можно создавать схему синтеза любого химического соединения, в том числе и неизвестного. Однако в некоторых случаях, хотя формульная схема составлена правильно, химическая реакция может не осуществиться. Поэтому нужно учитывать не только методику составления формул, но и химическую активность реагентов, которая лежит в основе теории химического строения Бутлерова. В 30-е годы прошлого века теория Бутлерова нашла физическое квантово-механическое обоснование. Согласно современным представлениям структура молекул – это пространственная и энергетическая упорядоченность квантово-механической системы, состоящей из атомных ядер и электронов.

Теория Бутлерова способствовала активным действиям. Так, в 1860-е годы были синтезированы на основе простейших углеводородов из каменноугольной смолы и аммиака анилиновые красители: фуксин, анилиновая соль, ализарин. Кроме того, были получены новые вещества: индиго, флавоны, ксантоны; взрывчатые вещества: тринитротолуол, тринитрофенол, уротропин, салол, антипирин и т. п.

Синтез красителей и взрывчатых веществ типа тринитротолуола происходит с выходом продуктов до 80–90 % и позволяет создавать крупнотоннажное производство.

Выход же лекарственных препаратов и душистых веществ составляет 15–20 %. В некоторых случаях поставщиками фармацевтической продукции стали химические лаборатории, созданные при аптеках.

Однако органический синтез многих веществ, основанный только на принципах структурной химии, имеет настолько низкий выход продуктов и большие отходы, что не может быть использован в промышленных масштабах.

Относительно недавно открыт новый класс металлорганических соединений с двухслойной структурой, названной структурой сэндвичевых соединений. К такому классу относится ферроцен. Хотя подобного рода соединения пока не нашли практического применения, они представляют теоретический интерес при анализе природы валентности химической связи.

Обнаружены некоторые интересные особенности структуры молекулы, которая непрерывно перестраивается. Такова, в частности, молекула бульвалена С₁₀Н₁₀. Она имеет форму шара, по поверхности с огромной скоростью перемещаются 10 атомов углерода и 10 атомов водорода; при этом как бы имитируется симметрия молекулы, которая необходима для её устойчивости.

Структурная химия охватывает и неорганические материалы. В структурной неорганической химии можно выделить два перспективных направления:

– синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решётке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

– создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами для производства материалов с заданными электрическими, магнитными, оптическими и другими свойствами.

Выращивание кристаллов требует специальных условий, при которых необходимо исключить воздействие внешних факторов, даже таких, как поле гравитации, поэтому некоторые эксперименты по выращиванию кристаллов проводятся в космосе на орбитальных станциях.

Не менее трудоёмко и создание кристаллов с нужными дефектами, так как такой процесс сопровождается появлением и незапрограммированных дефектов.

Исследования последнего времени направлены на разработку эффективных технологий синтеза не только органических, но и неорганических материалов.

Контрольные вопросы

1. 
   В чем суть понятия структуры молекулы по И. Берцелиусу?
   
2. 
   Какие поправки внес Ш. Жерар в структурные представления Берцелиуса?
   
3. 
   Изложите основные положения теории валентности Ф. Кекуле. Что означает термин «сродство» химического элемента?
   
4. 
   Что лежит в основе теории химического строения А. М. Бутлерова?
   
5. 
   Какие недостатки имеет органический синтез, основанный только на принципах структурной химии?
   
6. 
   Какие два направления в структурной химии неорганических веществ вы знаете? Дайте им краткую характеристику.