Курс лекций по "Концепции современного естествознания"

Глава 4 ХИМИЧЕСКИЕ КОНЦЕПЦИИ

1.Исторические  уровни в познании  химических веществ.

  Термин  «химия» имеет, видимо, как древнеегипетское, так и древнегреческое происхождение. Одно из старинных названий Египта «Хеми(я)»: черная земля. Древнегреческое  слово «химевскис» означает смешивание.

  В названиях наук часто присутствует греческое слово «логос» (слово, учение, понятие). Сравните: космология, геология, политология и т.д. В  научных терминах типа «химия», дошедших до нас из глубокой древности, указание на логос, на то, что речь идет об учении, часто отсутствует.

  Важно понимать, что химия — это именно наука, точнее выражаясь, комплекс наук о веществах, их свойствах и превращениях друг в друга. Химия подобно любой  науке представляет собой не природный, а человеческий феномен. В веществах нет ничего иного, кроме них самих, там нет химии. Местожительство химии не природа, а субъективный мир человека (чувства, мысли), его язык и деятельность по достижению определенных целей, природа которых определяется ценностями людей. Итак, химия — разновидность науки.

  Желание понять природу химии вынуждает  обратиться к ее специфике. Что такое  химия? На этот вопрос ответить не просто. Здесь явно недостаточно простого указания на то, что химия — наука о  веществах. Нас ведь интересуют в первую очередь не вещества, а наука о них. Разумеется, верно, что информация о веществах заключена в химии. Но какова сама химия? Какова химия в наши дни? Что представляет собой современная химия? Вопрос следует ставить, надо полагать, не просто о существе химии, а о подлинном содержании современной химии. Речь идет, очевидно, не о любой химии, а о химии, удовлетворяющей наиболее содержательным критериям научности. Без отделения прахимии от научной химии и без уяснения строения последней вряд ли удастся понять специфику химического знания.

  Вспомним  логику наших предыдущих рассуждений, например о физике. Чтобы выяснить специфику последней, научная физика йе отождествлялась с ненаучными суждениями о природе, существеннейшее значение придавалось различию классической и современной (релятивистской и квантовой) физики. Лишь после этого у читателя складывалось адекватное представление о физике как науке. Простое и в чем-то даже наивное суждение о физике как науке о фундаменте природных явлений можно услышать из уст человека, в высшей степени не компетентного относительно физического знания. Великий философ Л.Витген-штейн утверждал, что вопросы надо ставить на достаточной глубине. Отличная идея, имеющая непосредственное отношение к нашей теме о специфике научного химического знания.

  Чтобы уяснить себе специфику химии, следует  обратиться к ней самой, рассмотреть  этапы ее эволюции, понять степень  их координации. Поступив таким образом, мы обнаруживаем, что самая грандиозная  революция химического знания произошла  в 1920—1930-е годы и была связана с развитием квантовомеханических представлений о химических веществах и процессах. Квантово-полевые представления также существенны для химии, но в меньшей степени, чем для физики. Квантово-полевые представления особенно существенны тогда, когда речь идет о взаимопревращениях элементарных частиц, но это компетенция не химии, а физики. Разумеется, как читателю известно из главы о физике, квантово-полевые представления содержательнее квантовомеханических. Теоретическая химия должна учитывать это обстоятельство. Примерно последние семьдесят лет химия развивается под знаком квантово-полевых представлений, но при этом они облекаются в языковую форму квантовомеханических выражений. Неправомерно считать, что химия удовлетворяется всецело квантово-механическим уровнем анализа.

  Что было до квантовой химии особенно впечатляющего? Изучение термодинамики  и кинетики химических реакций на феноменологическом уровне и особенно систематизация химического знания на основе периодической системы элементов Д.И. Менделеева, открытой в 1869 г. Если учесть, что первый международный съезд химиков состоялся в 1860 г. в Карлсруэ (Германия), на котором были приняты правила написания химических формул и уравнений и определены такие понятия как атом, молекула и химический элемент, то можно утверждать, что именно в 1860-е годы химия переживала важнейший этап своего конституирования. Годы 1860—1930 — период эволюции классической химии. В этот период господствуют классические атомно-молекулярные представления.

  Около 100 лет (сер. XVIII—сер. XIX в.) ушло на становление  классической химии. В этот период были открыты такие важнейшие стехиометрические  законы, как:

  • закон сохранения массы веществ (М.В. Ломоносов, 1748— 1756 гг.; А.Лавуазье, 1777 г.): масса веществ, вступивших в реакцию, равна массе веществ, получившихся в результате реакции;

  • закон постоянства состава (Ж.Л. Пруст, 1801 г.): каждое чистое соединение независимо от способа его получения всегда имеет один и тот же состав;

  • закон кратных отношений (Дж. Дальтон, 1803 г): если два элемента могут образовать между собой несколько соединений, то массовые доли любого из элементов в этих соединениях относятся друг к другу как небольшие целые числа;

  • закон Авогадро (А.Авогадро, 1811 г.): в  равных объемах газов при одинаковых условиях содержится одинаковое число молекул (напомним читателю, что число частиц, равное числу Авогадро 6,0229' 10²³, получило название «моль»).

  Если  еще дальше углубиться в историю, за пределы XVIII в., то придется встретиться  с алхимией средних веков и эпохи Возрождения, когда на основе весьма поверхностных представлений о химическом экспериментировании пытались обнаружить в первую очередь способы превращения веществ в золото и серебро и изобрести лекарство, обеспечивающее бессмертие человека.

  Углубимся еще на одну эпоху в историю, достигнув  античности. Здесь рассуждают о четырех  космических стихиях (воде, земле, воздухе  и огне) и даже об атомах (Левкипп, Демокрит). Ни один из мудрецов античности не был способен написать уравнение  даже простейшей химической реакции. Атомы древнегреческих философов — это не атомы химиков XVIII—XX вв., а сущности, наделенные весьма необычными свойствами, отнюдь не теми, о которых рассуждает современный химик. Четыре космические стихии — это отнюдь не те химические системы (газовые, жидкие, твердые, дисперсные), о которых толкуют настоящие химики.

     Химия — это наука, главным критерием  которой является подтверждаемость. Каждый, кто претендует на звание химика, вынужден, иное не дано, интерпретировать природу химических веществ и реакций на основе некоторой теории. Но эта теория не может быть любой, она должна подтверждаться. Если теория не подтверждается, то она ненаучна.

  Античные  и средневековые химики рассуждали на основе выдуманных ими теорий, которые никогда не удовлетворяли по-настоящему критерию подтверждаемости, что, кстати, требует развитых экспериментальных методов, почти полностью отсутствовавших в те далекие времена. С непреодолимыми для них теоретическими трудностями встречались даже лучшие химики конца XVII—последней трети XVIII в. Они придерживались теории флогистона (особого горючего вещества), которая так и не нашла подтверждения. Понадобился гений Лавуазье для того, чтобы опровергнуть теорию флогистона. Лавуазье доказал теоретически и эмпирически, что в процессах горения, дыхания и обжигания металлов принимает участие не флогистон, а кислород. Нечто подобное было явно не по силам древним атомистам, которые на первый взгляд довольно сведущи относительно атомов. Химическая наука имеет место лишь там, где используемый метод интерпретации подтверждается данными экспериментов. Сведения о становлении и эволюции химического знания приводятся в табл. 10.

Таблица 10. Становление и эволюция химии

  Итак, современная химия — это совокупность квантовых представлений о веществе и его преобразованиях.

  Очень часто обсуждается вопрос о сводимости химии к физике. Многие полагают, что квантово-механические и квантово-полевые  представления — это сугубо физические теории. Но современная химия основывается именно на этих представлениях, следовательно, химия сводится к физике. На наш взгляд, в приведенной логике рассуждений заключена ошибка. Квантовая теория — междисциплинарная наука, именно поэтому она актуальна и в физике и в химии. В существующем разделении научного труда физики не могут заменить химиков точно так же, как вторые не заменяют первых. В науке всегда имеет место как интеграция, так и дифференциация. Именно в силу этого единство наук не отменяет их различие. Взаимопревращение веществ и их свойства изучает именно химия. В этом деле ей нет альтернативы. Следует также учитывать, что сама химия внутренне неоднородна. Неорганическая химия, органическая химия, аналитическая химия, химическая кинетика, радиационная химия, нефтехимия — все это различные химические науки, не сводимые друг к другу.

  Резюме

  • Химия — наука о свойствах  веществ и превращениях последних, при этом используется некоторая  научная теория.

  • Теоретической основой классической химии выступает атомно-молекулярное учение.

  • Теоретической основой неклассической, современной химии является квантовая механика, а также квантовая теория поля.

  • Главный критерий научности химического  знания — подтверждаемость.

  • В историческом плане эволюция химического  знания сложилась таким образом, что лишь в XIX в. химия приобрела отчетливый научный статус.

  • Существующее в науке разделение труда свидетельствует о несводимости химии к физике.

2. Химические соединения. Реакционная способность  веществ. Химические  процессы. Валентность.  Виды химических  связей. 

  Здесь, как и ранее, мы исходим из того, что читатель изучил школьный курс наук и вследствие этого обладает немалым объемом знаний. Учить его химии нет необходимости. Важнее составить себе представление о концептуальных особенностях химии как науки. Иначе говоря, задача состоит в том, чтобы осмыслить ранее изученное, понять его в контексте всего естественно-научного знания. В этой связи обратимся прежде всего к языку химии. Для каждой науки характерен особый язык. Справедливо это и применительно к химии.

  В химии широко используются уравнения химических реакций, различного рода химических превращений. Рассмотрим, например, уравнение химической реакции горения спирта на воздухе

  Согласно  уравнению 1 моль спирта взаимодействует  с 3 молями кислорода с образованием 3 молей воды и 2 молей диоксида углерода. В единицах массы то же самое уравнение свидетельствует о том, что 46 г спирта реагирует с 96 г кислорода, образуя 54 г воды и 88 г диоксида углерода. При этом спирт находится в жидком, а остальные реагенты в газообразном состоянии. В термохимических реакциях непременно указывается, какое количество энергии выделяется при реакциях или же, наоборот, требуется для ее осуществления. Так, уравнение реакции:

указывает на выделение количества теплоты Q= 1280 кДж при сгорании 1 моля (46 г) спирта.