KSE5 (Лекции)

Раздел 5.КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕХИМИЧЕСКИХ СИСТЕМУРОВНИВПОЗНАНИИВЕЩЕСТИ5.1. Концепции познания в химииХимия изучает состав и строение веществ, зависимость свойств веществ от их составаи строения, а также закономерности превращения одних веществ в другие.Развитие химических знаний стимулируется необходимостью получения человекомразличных веществ для своей жизнедеятельности. Химические процессы, такие какполучение металлов, выделка кож, используются человеком с давних времён. В III—IV в.алхимики стремились из обычных металлов получить химическим путём золото и другиеблагородные металлы. Начиная с эпохи Возрождения химические знания используются впрактических делах: при производстве металлов, керамики, стекла, красок. Во второйполовине XVIII в.

химия сформировалась как наука.Своеобразную программу исследования химических явлений впервые сформулировалии приняли ученые химики на первом Международном съезде химиков в Карлсруэ вГермании (1860). Они исходили из того, что атомы представляют собой мельчайшие,далее неделимые составные части молекул.Этим подводился своего рода «итог развитию представлений того времени о веществекак состоящем из атомов и молекул. При этом атом считался неделимым.

На этойконцептуальной основе в середине XIX в. была разработана стройная атомномолекулярная теория, которая впоследствии оказалась не в состоянии объяснить многиеэкспериментальные факты конца XIX — начала XX в. Картина прояснилась с открытиемсложного строения атома, когда стали понятны причины связи атомов, т.е. механизмобразования химических связей.На базе познания глубинных свойств различных веществ возникла теоретическаяхимия, которая в настоящее время представляет собой высокоупорядоченную и постоянноразвивающуюся систему знаний.

В наши дни химическая наука дает возможностьполучать вещества с заданными свойствами, находить способы управления этимисвойствами, что является основной проблемой химии и системообразующим началом еекак науки.Современная химическая наука опирается на ряд основных химических законов:• закон сохранения массы: масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ,образующихся в результате реакции;■ закон сохранения энергии: при любых взаимодействиях, имеющих место визолированной системе, энергия этой системы остается постоянной и возможны лишьпереходы из одного вида энергии в другой;■ закон постоянства состава: любое химически индивидуальное соединение имеетодин и тот же количественный состав независимо от способа его получения;■ закон кратных отношений, если два элемента образуют друг с другом несколькохимических соединений, то масса одного из элементов, приходящихся в этих соединенияхна одну и ту же массу другого, относятся между собой как небольшие целые числа;■ закон объемных отношений: при одинаковых условиях объемы вступающих вреакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктовреакции как небольшие числа;■ закон Авогадро: в равных объемах любых газов, взятых при одной и той жетемпературе и при одинаковом давлении, содержится одно и то же число молекул.По мере развития химии до современного уровня в ней сложились четыре совокупностиподходов к решению основной задачи — получение веществ с заранее заданнымисвойствами.

Развитие этих подходов обусловило формирование четырех концептуальныхсистем химических знаний, которые схематично представлены на рис. 5.1.На схеме показано последовательное появление новых концептуальных подходов вхимической науке, которые опирались на предыдущие достижения, сохраняя при этом всезнания предшествующих этапов, необходимые для дальнейшего развития. Все показанныена схеме концептуальные системы используются не порознь, а во взаимосвязи.1. Учениео составевещества(серединаXVII в.)Исследованиесвойств веществв зависимости отих химическогосостава2.Структурнаяхимия(XIX в.)Изучениесвойств веществв зависимости отих состава иструктурымолекул.3.

Учение охимическихпроцессах(первая половинаXХ в.)Исследованиевнутреннихмеханизмов иусловийпротеканияхимическихпроцессов4.Эволюционнаяхимия (втораяполовина XХв.)Развитие ученияо хим. процессах(более глубокоепонимание ихприроды).Исследованиепроцессовсамоорганизациив хим. системахРис. 5.1. Четыре концептуальные системы химической наукиПервый концептуальный уровень можно назвать исследованием различных свойств ипревращений веществ в зависимости от химического состава, определяемого ихэлементами. Задача сводилась к поиску зависимости свойств веществ исключительно отих состава.

Концепция этого этапа практически аналогична концепции периода атомизма,т.е. химики, как и физики, искали первоначальную основу или элемент, с помощьюкоторых пытались объяснить свойства всех простых и сложных веществ.Второй концептуальный уровень познания связан с исследованием структуры, т.е.способа взаимодействия элементов в составе веществ и их соединений. Структурнаяконцепция объединяет теоретические представления в химии, устанавливающие связьсвойств вещества не только с составом, но и со структурой молекул. В рамках этогоподхода возникло понятие реакционная способность, включающее представление охимической активности отдельных фрагментов молекулы – отдельных атомов, отдельныххимических связей и даже целых атомных групп. На этом этапе химия превращается изаналитической науки в науку синтетическую, благодаря чему создаются промышленныетехнологии синтеза многих органических веществ.Третий концептуальный уровень познания представляет собой учение о химическихпроцессах.

С помощью кинетических и термодинамических методов исследованиявнутренних механизмов и условий протекания химических процессов были выявленыфакторы, влияющие на направление, скорость и результат их протекания.Химиявскрыла механизмы управления реакциями и предложила способы изменения свойствполучаемых веществ. Все эти факторы оказывают громадное влияние на характерпроцессов и объем получаемых веществ, что имеет первостепенное значение длямассового производства.Четвертый концептуальный уровень является дальнейшим развитием предыдущегоуровня, связанным с более глубоким изучением природы реагентов, участвующих вхимических реакциях, а так же применением катализаторов, значительно ускоряющихскорость их протекания.

Этот этап развития химии связан с использованием в нейнекоторых принципов, реализованных в химизме живой природы. Практически на этомуровне речь идет об изучении и применении самоорганизации химических систем,происходящих в клетках живых организмов.Приведем пример, доказывающий качественный рост знаний в химии при переходе отодной концептуальной системы к другой.Широкое развитие авто- и авиастроения потребовало производства каучука в гораздобольших объемах, чем прежде. Назрела проблема получения искусственного каучука.

Вначале XX в. русский химик С. В. Лебедев (1874—1934) синтезировал каучук на основедивинила. Однако процесс синтеза был дорогостоящим и трудоемким. Дивинилполучали из этилового спирта, который в свою очередь синтезировали из пищевыхпродуктов, содержащих крахмал и сахар, причем выход спирта составлял не более 30 %, аостальное шло в отходы. Во всем процессе производства искусственного каучука былозанято значительное количество людей.Новые возможности получения исходного сырья (дивинила) появились в связи спереходом химического знания на уровень учения о химических процессах. Дивинилстали получать из нефти, отпала необходимость в использовании пищевого сырья.

Такоепроизводство существует и сегодня.Болееобнадеживающиеперспективыполучениясинтетическогокаучукапредставляются на новом, эволюционном, уровне развития химии. Имеются сведения опиролизе нефтяного сырья в атмосфере плазмы при температуре 4000—5000°С, при этомреакция протекает в течение тысячных долей секунды. Производительность приреализации указанных условий возрастает многократно по сравнению с существующимспособом. Один человек, обслуживающий небольшой реактор-плазмотрон, можетзаменить целый завод.5.2. Периодический закон Д.И. МенделееваДо определенного времени шло накопление эмпирических химических знаний, пока неназрела необходимость н их классификации и систематизации, т.е.

теоретическомобобщении. Основоположником системного освоения химических знаний явилсявыдающийся русский химик Д. И. Менделеев (1834—1907). Попытки объединения элементов в группы предпринимались и ранее, однако не были найдены определяющиепричины изменений их химических свойств.Д. И. Менделеев при решении данной проблемы исходил из принципа, что любоеточное знание представляет систему. Данный системный подход позволил ему в 1869 г.открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химическихэлементов.

В качестве системообразующего фактора Д. И. Менделеев выбрал атомнуюмассу или атомный вес. В соответствии с атомным весом он расположил химическиеэлементы (к тому времени насчитывалось 62 элемента) как систему и показал, что ихсвойства находятся в периодической зависимости от величины атомного веса. Более тогоон предсказал существование 6 неизвестных элементов, оставив для них пустые клетки втаблице.Периодический закон Д. И. Менделеева: «Свойства простых тел, а также формы исвойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величиныатомных весов элементов».Это обобщение давало новые представления об элементах, но в силу того, что еще небыло известно строение атома, физический смысл его был не вполне доступен пониманию.В современном представлении периодический закон формулируется следующимобразом: «Строение и свойства элементов и их соединений находятся в периодическойзависимости от заряда ядра атомов и определяются периодически повторяющимисяоднотипными электронными конфигурациями их атомов.