И двуединая задача современной

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 (рис. 2).

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», включающее представление о химической активности Ильных 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 о самоорганизации химических процессов, 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, для решения конкретных проблем были использованы раз­личные научные идеи. Примером тому служит выдающееся открытие в области химии, сделанное на пути решения од­ной из исходных проблем химии — проблемы химического элемента.

53. Что есть понятия «химический

элемент» и «химическое соединение»

с точки зрения современности?

Исходным в учении о составе является вопрос: «Что счи­тать химическим элементом — элементарным, неразложимым «кирпичиком» вещества?» Отправной точкой решения этой проблемы стало формулирование Д.И. Менделеевым знаме­нитого периодического закона. В основу систематизации свойств химических элементов Менделеевым была положена идея зависимости свойств элемента от атомной массы. Он доказал, что признаком элемента является не эксперимен­тально устанавливаемая неразложимость данного вещества (как считалось ранее), а место в периодической системе, опреде­ляемое атомной массой. Позднее, в связи с успехами кван­товой теории, физика помогла составить представление об атоме элемента как о сложной квантово-механической систе­ме. Место элемента получило новый смысл, оказавшись обус­ловленным зарядом ядра атома (Z). На этой основе были выяснены особенности строения электронных орбит всех эле­ментов и раскрыт физический смысл периодического зако­на. Химический элемент — это вид атомов с одинаковым заря­дом ядра, то есть совокупность изотопов. Под это современное определение попадают как отдельные атомы, так и находя­щиеся в химической связи с другими атомами.

Во времена Д.И. Менделеева было известно 62 элемента. В 1930-е гг. система элементов заканчивалась ураном (Z=92). С начала 1940-х гг. таблица пополнялась принципиально но­вым путем — путем физического синтеза. До середины 50-х гг. были синтезированы 9 элементов. Элемент под номером 101 был назван «менделеевий». В последующие годы синтез ядер новых элементов продолжался, но ядра с номером от 102 и далее оказались крайне неустойчивыми. Самый тяжелый из известных на сегодняшний день элементов (порядковый но­мер 112) был получен при слиянии ядра цинка с ядром свин­ца. Его время жизни измеряется тысячными долями секун­ды. Однако, по оценкам физиков, в ряду тяжелых ядер мо­гут существовать «островки стабильности» элементов при Z=126, 164 и даже 184.

В физически доступном слое Земли всего восемь химических элементов представлены в значительном количестве. Это — кис­лород —- 47, 0%, кремний — 27, 5; алюминий — 8, 8; железо — 4, 6; кальций — 3, 6; натрий — 2, 6; калий — 2, 5 и магний — 2, 1%.

Практически все элементы проявляются в земных условиях в составе тех или иных химических систем — химических со­единений. В настоящее время известно более восьми милли­онов соединений. Из них абсолютное большинство (около 96%) — органические.

Какие из многокомпонентных тел следует отнести к хими­ческим соединениям, а что считать простыми смесями?

Проблема химического соединения традиционно решалась с позиций атомистической концепции. В начале XIX в. ан­глийский химик Дж. Дальтон обосновал закон постоянствасостава, отражающий неизменное соотношение компонен­тов данного вещества. Долгое время не допускалось отклоне­ния от этого закона. Однако уже современник Дальтона французский химик К. Бертолле указывал на возможность суще­ствования соединений переменного состава в форме растворов и расплавов. Впоследствии были найдены доказательства существования химических соединений переменного состава.

Суть проблемы химического соединения, как, оказалось, состоит не столько в постоянстве или непостоянстве хими­ческого состава, сколько в физической природе сил, объеди­няющих атомы в молекулу. Эти силы символизируются хи­мическими связями. В общем случае химические связи обус­ловлены проявлением волновых свойств валентных электронов: перекрытием электронных облаков, обобществлением элект­ронов. В результате выяснения физической сущности хими­ческой связи понятие молекулы претерпело изменение. Теперь в категорию молекулы вошли и такие квантово - механические системы, как монокристаллы, а также полимеры, образо­ванные за счет водородных связей. Но это уже макроскопические молекулы (макромолекулы). Прежде к макромолекулам относили только гигантские органические молекулы (полимеры), имеющие молекулярную массу порядка 10⁶, построенные из многих повторяющихся частей — более про­стых органических систем (мономеров).

В соответствии с современной точкой зрения химическое соединение — это вещество, атомы которого за счет химичес­ких связей объединены в молекулы, комплексы, макромолеку­лы, монокристаллы или иные квантово-механические системы. В настоящее время состав любого вещества в строго матема­тическом смысле переменен. Ясно, что классификация неко­торого конкретного вещества целиком зависит от точности методов определения состава.

Современное содержание понятия «химическое соедине­ние» сопряжено с новыми направлениями в химии. Появи­лась, например, химия твердого тела. Отдельную область химических соединений непостоянного состава образовали так называемые поверхностные соединения, которыми стала заниматься химия поверхности.

Таким образом, проблема химического соединения, так же как и проблема химического элемента, решена в современной химии на основе представлений квантовой физики.

54. Что привнесло в развитие химии учение о химических процессах?

Способность к взаимодействию различных химических ре­агентов определяется не только их атомарно-молекулярной структурой, но и условиями протекания химических реакций. К ним относятся термодинамические факторы (температура, давление и др.) и кинетические факторы (все, что связано с переносом веществ, образованием их промежуточных форм). Их влияние на химические реакции вскрывается на концепту­альном уровне химии, который обобщенно называют учени­ем о химических процессах.